Текст
ОСНОВЫ МЕХАНИКИ ГРУНТОВ
Маслов Н.Н. = 1968 = Основы механики грунтов и инженерной геологии
Н Н. МАСЛОВ
Заслуженный деятель науки и техники РСФСР,
доктор технических наук, профессор
ОСНОВЫ МЕХАНИКИ ГРУНТОВ
И ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОЛОГИИ
Издание второе,
переработанное и дополненное
Допущено
Министерством высшего и среднего
спецгьалъного образования СССР
в качестве учебника для студентов
транспортных вузов
ИЗДАТЕЛЬСТВО «ВЫСШАЯ ШКОЛА
Москва — 196 8
ПРЕДИСЛОВИЕ КО 2-му ИЗДАНИЮ
Строительная практика в связи с ростом масштаба и
значимости возводящихся сооружений, часто уникальных
по своему существу, показала, что помимо ознакомления
с нормативными документами молодым строителям необ-
ходимо привить навыки творческого подхода к решению
задач в области оценки степени устойчивости и деформа-
ции земляных масс. Автор стремился в своей книге воз-
можно глубже познакомить учащихся с самой сущностью,
рассматриваемых явлений и основных методов решения
задач, избегая изучения многочисленных частных
случаев.
Практика использования книги в 1-м издании при про-
хождении курсов «Инженерной геологии» и «Механики
грунтов» полностью оправдала такое направление книги.
При подготовке 2-го издания книга подверглась в не-
которой своей части значительной переработке. В нее
были внесены все необходимые исправления и дополни-
тельные данные в свете современного состояния вопросов и
одновременно изъяты материалы, не нашедшие в нашей
практике широкого применения. Автор стремился на-
сколько возможно еще более углубить связь, по его мне-
нию совершенно необходимую, между «Механикой грун-
тов» с ее механико-математическим аппаратом и геологи-
ей и гидрогеологией, базирующихся на естественно-истори-
ческой основе.
В настоящее время вместо обычных механических еди-
ниц (МКС, СГС и МКГСС) — с выражением, например,
напряжения в размерности — все чаще начинает ис-
пользоваться Международная система единиц (СИ). По,
3.
этой системе размерность напряжения будет носить уже
вид н/м? (ньютон на квадратный метр). В целях облег-
чения перехода от одной системы единиц к другой в при-
ложении приводится соответствующая таблица связи сис-
тем единиц МКГСС и СИ.
Автор получит удовлетворение, если его труд будет
способствовать накоплению молодыми строителями зна-
ний в рассматриваемой области, столь же необходимых
для их успешной строительной практики, как и знания
в строительной механике.
Автор
В В Е Д Е И ИЕ
Любое из возводимых инженерных сооружений должно обладать безу-
пречной устойчивостью и прочностью, а также удовлетворять особым тре-
бованиям в отношении своей деформации.Одновременно к проектируемым
сооружениям предъявляются требования, чтобы они могли бы быть воз-
ведены наиболее просто, с минимальной затратой материальных средств,
рабочей силы и времени.
Вместе с тем практика строительства и эксплуатации инженерных соо-
ружений показывает, что возможность нарушения выдвинутых выше тре-
бований обусловливается в первую очередь недостаточной устойчивостью
и прочностью грунтов в основании сооружения и в бортах долин.
В настоящее время мы располагаем техническими средствами, позво-
ляющими вполне надежно возводить ответственные и грандиозные по мас-
штабам сооружения в самых неблагоприятных природных условиях. Вопрос
в этом случае сводится лишь к установлению наиболее подходящих типов
сооружений и к рекомендации защитных мероприятий как конструктив-
ного, так и производственного характера, которые наиболее полно отве-
чали бы природной обстановке и были способны в наилучшей степени
локализировать возможное вредное влияние на сооружение тех или иных
факторов и явлений.
Целесообразное разрешение всех этих вопросов связывается с необхо-
димостью выявления природных условий, в частности изучения пород
и грунтов, на которых будет возводиться проектируемое сооружение,
их состава, состояния и свойств, а также условий залегания, мощности
отдельных пластов, трещиноватости и т. д. Важное значение в рассматри-
ваемом плане приобретает и вопрос об условиях залегания в обследуемой
толще подземных вод и их режиме. Однако одни эти вопросы не решают
всей проблемы в целом. Нередко возводимые сооружения могут оказаться
под губительным воздействием того или иного природного геологического
процесса. К числу таких процессов должны быть отнесены в первую оче-
редь сейсмические явления (землетрясения), оползни и обвалы, проваль-
5
ные явления, связанные с обрушением кровли подземных пустот, и т. д.
Очевидно, что если возможность проявления подобных процессов не будет
своевременно учтена при проектировании сооружений и если в необходи-
мых случаях против них не будут приняты соответствующие «защитные
меры», то при определенных условиях сооружение, даже полностью отве-
чающее всем остальным требованиям, может оказаться поврежденным
или даже разрушенным.
Все эти вопросы и проблемы являются объектом изучения «И н ж е-
нерной геологии» как научной и прикладной дисциплины.
Таким образом, «Инженерная геология» изучает вопросы, связанные с вы-
явлением общих природных условий, подлежащих учету при проектирова-
нии, возведении и эксплуатации сооружений, а также ряда геологиче-
ских процессов и явлений, способных оказать вредное влияние на соору-
жение.
Основная роль «Инженерной геологии» при составлении проекта соо-
ружения заключается в выявлении участков с наиболее благоприятными
природными условиями, обеспечивающими возможность выбора техниче-
ски наиболее целесообразных и экономически выгодных решений, а так-
же своевременном учете трудностей, возникающих при строительстве.
Однако, естественно, задача целесообразного обоснования сооружений
не ограничивается разрешением только этих вопросов. При проектирова-
нии сооружений возникает также целый ряд других весьма важных вопро-
сов, связанных в первую очередь с необходимостью оценки общей устой-
чивости и деформации грунтов в основании и в бортах сооружений под
воздействием приложенных к ним сил и обязательно в количественном
ее выражении.
Решение этих задач в различных условиях входит в компетенцию дис-
циплины «М еханика грунтов».
Таким образом, «Механика грунтов» представляет собой науку об усло-
виях нарушения устойчивости и прочности грунтов в основании и составе
сооружений, а также о деформациях грунтов под воздействием приложен-
ных к ним сил.
В своих выводах «Механика грунтов» опирается на данные изучения
строительных свойств горных пород и грунтов как материала для земляных
и основания для всех сооружений.
«Механика грунтов» развивает теоретический и формульный аппарат
по оценке устойчивости и деформируемости толщи грунтов. Вместе с тем
«Механика грунтов» как теоретическая дисциплина оперирует по необхо-
димости идеализированными грунтами и упрощенными расчетными схе-
мами.
Природная обстановка и реальные свойства грунтов и горных пород
часто гораздо многообразнее и сложнее, чем это оказывается^возможным
описать теми или иными формульными зависимостями.
6
При этом условии выводы «Механики грунтов» в их практическом ис-
пользовании во всех случаях должны корректироваться применительно
к данной реальной природной обстановке.
Очевидно, что при этих условиях «Инженерная геология» и «Механика
грунтов» как научные и прикладные дисциплины дополняют и обогащают
друг друга. Тесно между собой связанные, они объединяются единым комп-
лексом геотехнических знаний.
«Механика грунтов» и «Инженерная геология» существенно различают- .
ся между собой по своему назначению, методам исследования и характеру.
По своему содержанию и математическим методам решения задач «Механика
грунтов» приближается к «Строительной механике», отдельной ветвью
которой она, по существу, и является. Вместе с тем как теоретические,
так и прикладные задачи «Инженерной геологии» разрешаются на основе
метода естественно-исторического анализа с привлечением в возмож-
ных (пока еще единичных) случаях физико-механических методов с их фор-
мульным расчетным аппаратом и в том числе аппаратом «Механики
грунтов».
Таким образом, «Инженерная геология» самым тесным образом связы-
вается с геологией, специализированной ветвью которой она яв-
ляется.
Само собой разумеется, что прохождение курса «Инженерная геология»
оказывается возможным при наличии у слушателей достаточных знаний
по элементарной геологии. Учитывая, что эти знания уже известны уча-
щимся из курса средней школы, и не желая подменять весьма важный в
цикле строительных дисциплин курс «Инженерная геология» курсом «Об-
щая геология», мы ограничиваемся изложением лишь некоторых вопросов
по общей геологии в первой части книги, как предшествующей подробному
изложению уже более специальных вопросов. Назначение этой общей
части сводится к фиксированию избранных положений общей геологии,
которые лягут в основу последующего изложения курса.
Вместе с тем полноценное ознакомление с выводами «Механики грун-
тов» как теоретической и прикладной дисциплины сопряжено с известны-
ми трудностями. Автор стремился ознакомить читателя в основном с м е-
тодами «Механики грунтов», имея в виду, что после их усвоения ре-
шение частных задач не представит особых трудностей и в каждом слу-
чае легко может быть выполнено путем ознакомления со специальной
литературой.
Отсюда возникло решение автора отказаться от придания работе эн-
циклопедического, справочного характера, с освещением большого ря-
да вопросов, и ограничиться изложением в ней лишь основных воп-
росов.
В заключение надлежит отметить большую роль советских ученых в
развитии «Инженерной геологии» и «Механики грунтов» как теоретических
7
и прикладных дисциплин. Здесь должна быть отмечена большая и плодот-
ворная работа в рассматриваемой области Г6 О. Графтио, Ф. П. Саварен-
ского, Н. М. Герсеванова, Н. А. Цытовича, М. Н. Гольдштейна, Н. Я-Де-
нисова, И. В. Попова и многих других.
Существенная помощь в’ подготовке настоящей книги к изданию ока-
зана канд. геол.-минерал, наук 3. В. Масловой-Пильгуновой.
РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ
ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОЛОГИИ
ЧАСТЬ I
ЖИЗНЬ ЗЕМЛИ
ГЛАВА 1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОЕНИИ ЗЕМНОГО ШАРА
Вид, условия залегания и строительные свойства тех или иных горных
пород и грунтов определяются характером исходных для них продуктов
или пород, а также условиями и обстановкой их образования с последующим
на них воздействием уплотнения, выветривания, цементации и др. Поэтому
наиболее продуктивным путем при изучении отмеченных выше вопросов
по инженерно-геологической оценке горных пород и грунтов является
ознакомление с условиями их образования и воздействующими на них
агентами, прямым образом связанными с жизнью земного шара.
Жизнь Земли* как некоторого космического тела — планеты — опре-
деляется следующими основными фактами:
1) наличием отвердевшего покровного слоя, опоясывающего земной
шар и именуемого земной корой (литосфера) и сложенной твердыми гор-
ными породами;
2) относительно малой мощностью и жесткостью земной коры;
3) наличием и проявлением в недрах земного шара, под покровом зем-
ной коры, сложных процессов, обусловливающих термический и особый
-физико-химический режим недр Земли;
4) воздействием на горные породы, слагающие земную кору и рельеф
Земли, тех или иных физико-химических процессов, связанных с деятель-
ностью атмосферы.
Радиус земного шара** определяется средней его величиной в 6371 км.
* Возраст Земли определяется 3,5—5 млрд. лет.
** Земля не имеет форму правильного шара, и по последним исследованиям ее
форма приближается к трехосному эллипсоиду.
9
Вместе с тем*мощность земной коры, в соответствии с данными геофизиче-
ских исследований, и в частности по изучению скорости прохождения
через толщу земного шара сейсмических волн, не превосходит 30—40 км
под континентами и снижается во впадинах, под дном океанов, до 8 км*.
В СССР и США предпринимаются попытки прямого определения мощности
земной коры сверхглубокими буровыми скважинами. Пока ведутся предва-
рительные изыскания, бурятся пробные скважины. В Прикаспии, в уро-
чище Арал-Сор, уже пробурена скважина до глубины 6 км. В настоящее
время мощность земной коры принимается как 1 : 400 от диаметра Земли.
Следовательно, если уподобить Землю шару с диаметром в 4 м, то земная
кора, в виде оболочки на ней, имела бы толщину около 1 см.
При такой малой мощности земная кора практически не могла пред-
ставлять никакого сопротивления разнообразным деформациям, которым
подвергался земной шар. Она должна была пассивно деформироваться,
следуя за деформацией самого земного шара в тех или иных его частях.
Частые землетрясения**, отмечаемые сейсмическими станциями, ве-
дущими наблюдения за землетрясениями посредством точнейших при-
боров, указывают на то, что недра Земли не пребывают в «мертвом», зас-
тывшем состоянии, и здесь идут непрерывно глубинные процессы, находя-
щие свое отражение как в толще земной коры, так и на ее поверхности. Эти
процессы получили название эндогенных. Мы не имеем до сего времени
отчетливого и ясного представления о природе этих глубинных процессов.
Однако по ряду проявлений (вулканические извержения с выходом на
поверхность расплавленных каменных масс — лав, горячие источники и
др.) можно судить, что эти процессы носят в известной мере термальный
характер.
Горные цепи и целые горные складчатые сооружения, гигантские раз-
ломы земной коры, обнаруженные на протяжении тысяч километров по
дну Тихого, Атлантического и Индийского океанов («желоба») с наиболь-
шими наблюденными глубинами до 11 км, мощные провальные явления,
которые способствовали, в частности, образованию глубочайшего озера
на Земле — Байкала и впадины Черного моря с глубиной до 2 км, а также
периодически наблюдающиеся вековые перемещения береговой линии моря
свидетельствуют об имеющих место подъемах и опусканиях тех или иных
участков земной коры. Вместе с тем они свидетельствуют и онепрекращаю-
щихся деформациях самого земного шара, спорадически усиливающихся
и в последующем в той или иной мере затухающих. Несомненно также,
что с уходом в недра Земли на все возрастающие глубины давление и свя-
* Земная кора под океанами имеет иное строение, чем под континентами,—
здесь она тоньше и лишена верхнего гранитного слоя.
** До 100 000 в год слабых, до ЯОО разрушительных и одно в год катастрофи-
ческих.
10
занная с ним температура непрерывно повышаются .В центральной части
земного шара (в ядре) давление достигает, по-видимому, 3,0—3,5 млн. ат.
Также известно, что удельный вес всего земного шара, равный 5,5,
значительно превышает удельный вес горных пород (2,5—2,8), слагающих
земную кору*.
При этом условии плотность центральной части Земли должна по под-
счетам быть значительно выше и равняться 9—11, т. е. быть близкой к
плотности железа и никеля. Эти данные подтверждаются и геофизическими
наблюдениями. Указанное обстоятельство в свое время давало повод пред-
полагать, что центральная часть земного шара (ядро) сложена из тяжелых
элементов и что материал в недрах Земли, в силу царящих там высоких
давлений и температуры, находится в особом перегретом упругом пластич-
но-вязком состоянии. В настоящее время установлено, что ядро Земли
пропускает продольные сейсмические колебания и оказывается непрохо-
димым для поперечных колебаний. Как известно, последние проходят
сквозь твердые тела и гаснут в жидкостях. Это обстоятельство позволяет
предполагать, что вещество ядра Земли находится в жидком состоянии**.
Переходную зону от ядра Земли к земной коре составляет очень мощная
оболочка Земли — мантия, окутывающая ядро планеты. По скорости
распространения сейсмических волн мантия делится на верхнюю и нижнюю.
Предполагается, что мантия по своему химическому составу соответствует
базальту, который из менее плотного (верхняя мантия) переходит в более
плотное «глубинное» состояние (нижняя мантия). В мантии скрыты при-
чины многих явлений, определяющих жизнь земной коры. Здесь же лежат
истоки катастрофических землетрясений.
Схематическое строение земного шара
Таблица 1
Оболочки или слои Расстояние от поверхности Земли до нижней границы оболочки, км
от поверхности земли более дробнее деление оболочки
Земная кора Гранитная 1 Базальтовая ) 8—40
Мантия Земли Верхняя Нижняя 1000 2900
Ядро Земли Внешняя Внутренняя (ядрышко) 5000 6370
* Удельный вес горных пород нижней части земной коры повышается до 3—3,4.
** Как по вопросу состояния ядра, так и по его химическому составу существует
ряд точек зрения. Наши данные о строении и составе глубоких слоев Земли еще крайне
ограничены и неопределенны.
11
Выше мантии следует земная кора — литосфера. Литосфера в свою
очередь подразделяется на гранитный и базальтовый пояса.
По современным взглядам строение земного шара наиболее вероятно
представляется в следующем виде (табл. 1).
ГЛАВА 2'
ТЕКТОНИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ И ИХ РОЛЬ В ЖИЗНИ ЗЕМЛИ
К широким, иногда грандиозным последствиям приводят явления,,
связанные с тектоникой, являющейся следствием проявления эндогенных
процессов и находящей свое выражение в сложной и разнообразной де-
формации земной коры. В настоящее время в объяснение тектонических
явлений выдвинут ряд гипотез {тектонические гипотезы}. Каждая
из этих гипотез имеет свои достоинства и недостатки, своих сторонников
и противников. Ниже излагается одна из этих гипотез. Мы отдаем ей пред-
почтение с методико-педагогической точки зрения, так как она позволяет
лучше понять и связать наблюдаемые явления.
В соответствии с этой гипотезой Земля, как космическое тело, представ-
ляет собой недоразвившуюся звезду («эмбрион» звезды). Это обстоятельство
обусловливается недостаточно большими размерами Земли, исключающи-
ми возможность полноценного проявления атомных реакций. Однако в
центральных областях Земли эти процессы находят свое частичное прояв-
ление, ведущее к повышению плотности ядра за счет разрушения электрон-
ных оболочек и «упаковки» атомов материалов, образующих ядро.
Эти процессы приводят к тепловыделению. Возникает два противопо-
ложно направленных действия, связанные: 1) с уменьшением объема зем-
ного шара за счет уплотнения его ядра и 2) с увеличением объема земного
шара за счет теплового его расширения.
Обратимся вначале к рассмотрению условий проявления второго из
указанных действий. Радиоактивные процессы внутри земного шара ведут
к постепенному накоплению тепла, распространяющегося во времени все
ближе к поверхности. Здесь, в некоторых зонах, в частности в зонах растя-
жения с относительно пониженным давлением, перегретые массы могут
переходить в состояние каменных расплавов (магма). При определенных
обстоятельствах магматические расплавы способны под давлением внед-
ряться в толщу земной коры. На рис. 2-1 показан массив горных пород,
прорванный внедрившейся в него магмой, застывшей внутри земной коры
и давшей начало образованию гранито-порфиров. Магма может также по
трещинам и расколам вырваться на поверхность Земли, заливая ее лавой
(магма, обедненная газами). Остывая на поверхности, лава образует по-
кровы разнообразных магматических пород.
Такая обстановка создается, когда при повышении температуры и уве-
личении объема земного шара его «одежда» — земная кора в тех или иных
12
Горный хрейет
всшто равнина Шельф Уровень моря
Материковая гш5а~ —— __ =
(плотность 21)
Оазольтовыи пояс р
(плотность J.0
местах становится тесной, что ведет к образованию в ней трещин, разрывов,
разломов, сколов и других деформаций.
Предполагается, что земная кора, как это было указано выше, в об-
ласти континентов образует в основном гранитовую оболочку, подстила-
емую базальтовым поясом, опоясывающим земной шар.
Континентальные массивы — глыбы, в силу меньшей плотности пород
земной коры (2,7), будучи погружены своими «корнями» в более тяжелый
подкоровый пояс — «субстрат» (не-
которая разновидность базальта с
удельным весом 3,0—3,5), как бы
плавают на нем, подобно шлаку на
поверхности расплавленного чугу-
на ..(рис. 2-2). При рассмотрении
рис. 2-2 не следует забывать, что
он дан с весьма большим искажени-
ем масштабов. При изображении
материковой глыбы на этом ри-
сунке без искажения ее мощность
в «корневой» части не превысила
бы нескольких десятых милли-
метра.
При тепловом расширении, а
отсюда и понижении плотности базальтовых масс континентальные мас-
сивы более глубоко погружаются в базальтовый пояс. Это обстоятельство
приводит к еще более интенсивным массовым подъемам и излияниям ба-
зальтовых лав через образовав-
шиеся в земной коре расколы
и разломы. Так образуются не-
редко большие поля базальто-
вых покровов (плато базальтов
в Индии, Сибири).
Отмеченное выше погруже-
ние континентальных массивов в
базальтовый пояс по своей при-
роде имеет много общего с явле-
нием более глубокой осадки гру-
зовых судов при переходе их
из морей с большей соленостью (и значит плотностью) воды в моря с мень-
шей соленостью, например из Атлантического океана в Финский залив
Балтийского моря.
Очевидно, что указанное выше погружение континентов ведет к более
низкому их стоянию и в ряде случаев связывается с затоплением понижен-
ных участков суши морем (трансгрессия моря). В результате наблюдающего-
Рис. 2-2. Материковые глыбы и дно мирово-
го океана
13
ся общего потепления в этот период, а также в связи с обширными морски-
ми трансгрессиями климат на Земле в значительной мере смягчается. Сред-
няя годовая температура суши повышается со всеми вытекающими отсюда
последствиями. Описываемая эпоха в жизни Земли, связанная со все на-
растающим тепловым ее режимом, рассматривается как эпоха эволюции.
В конце концов наступает время, когда накопленное тепло в земном
шаре оказывается в значительной мере израсходованным, и в жизни Земли
находит свое выражение уже новая фаза — эпоха тектонической револю-
ции. В этот период в связи с остыванием земного шара наступает его сжа-
тие (контрактация). Земная кора в силу своей малой жесткости и стремле-
ния следовать за сокращающимся объемом земного шара вынуждена ко-
робиться, деформироваться и сминаться в складки (эпоха орогенеза). Многие
участки суши, ранее затопленные морем, выходят на поверхность — «море
отступает» (т. е. наступает регрессия моря). В результате «всплывания»
континентов и процессов горообразования рельеф суши осложняется раз-
витием «положительных» (высоко выступающих) форм.
В связи с остыванием земного шара наступает всеобщее похолодание.
Благодаря регрессии моря и отступанию береговой линии площадь суши
увеличивается, что в свою очередь ведет к более широкому распространению
континентального режима со свойственными ему более суровой зимой и
жарким летом.
С этого момента начинается интенсивное проявление экзогенных (внеш-
них) разрушительных агентов и их воздействие на выступающие формы
рельефа в направлении выглаживания, выполаживания (процесс денуда-
ции). В этом процессе горные породы, слагающие, поверхность Земли,
разрушаются или растворяются, высвобождая громадные массы продук-
тов выветривания, переносимых в дальнейшем текущей водой (к берегам
.морей) и ветром. В, процессе отложения (седиментация) и последующего
уплотнения и цементации осевших на дне морей обломков и осадков обра-
зуются новые горные породы, получившие название осадочных.
Следует иметь в виду, что жизнь Земли характеризуется взаимным на-
ложением ряда весьма сложных и часто далеко не изученных до конца
процессов. Приведенные выше данные, имеющие очень много по месту
исключений, должны рассматриваться как результат самых общих и ши-
роких обобщений.
ГЛАВА 3
ТЕКТОНИЧЕСКИЕ ЭПОХИ В ЖИЗНИ ЗЕМЛИ
Геохронология. Эпохи покоя и тектонических революций сменяют друг
друга во времени. Одни периоды в жизни Земли длительностью в десятки
и сотни миллионов лет падают на эпохи постепенного накопления тепла
в земном шаре (эпохи эволюции или покоя), другие, обычно значительно
14
более короткие, отвечают времени разрядки тепла и связываются с бурным
проявлением тектонических сил (эпохи революций или горообразования и
складчатости).
Эпохи покоя и горообразования могут характеризоваться по преобладаю-
щему проявлению тех или иных процессов (табл. 2).
Таблица 2
Основная характеристика тектонических эпох
Показатели Эпоха покоя Эпоха горообразования
Положение континентальных массивов Распространение моря Климат Г орообразование Вулканизм Преобладающие процессы Низкое Трансгрессия Тропический Отсутствует Слабый Накопление морских осадков Высокое Регрессия Похолодание Интенсивное Интенсивный Денудация (снос)
Те или иные события в жизни Земли и время образования горных пород
обычно относятся к определенным периодам, которые определяются геоло-
гической хронологией (геохронологией). Геохронология указывает в относи-
тельной последовательности более или менее длительные по времени пе-
риоды в жизни Земли и не определяет время тех или иных событий в абсо-
лютном выражении, как это имеет, например, место, применительно к исто-
рическим событиям, связанным со строго установленной датой.
Согласно геологической хронологии в жизни Земли выделяют пять
наиболее крупных и длительных по времени эр*: архейскую, протерозой-
скую, палеозойскую, мезозойскую и кайнозойскую.
Архейская («древнейшая») и протерозойская (эра пер-
вичной жизни) эры наиболее удалены от нас по времени (несколько мил-
лиардов лет) и связываются с образованием самых древних групп пород,
слагающих жесткий фундамент земной коры. Горные породы архейской
эры носят только следы примитивных органических форм, свидетельствую-
щих о зарождении в это время жизни на Земле.
Протерозойская эра совпадает по времени с началом развития на Земле
разнообразных водорослей, бактерий и беспозвоночных животных, обитаю-
щих пока еще в водоемах морей и океанов.
Начало палеозойской эры (эры древней жизни) падает на
период времени, удаленный от нас примерно на 600 000 млн. лет и продол-
жается около 350 млн. лет. Эта эра и относящиеся к ней породы изучены
более детально. Палеозойская эра характеризуется буйным расцветом
органической жизни в морях и океанах и выходом ее на сушу. На суше
* Наиболее крупная единица в геохронологической шкале.
15
доминирующее значение приобретают крупные земноводные и в конце
эры первые пресмыкающиеся. В каменноугольном периоде эры пышное
развитие получают древовидные папоротники, хвощи и др.
Мезозойская эра (эра средней жизни) более короткая (185 млн.
лет), представляет собой время расцвета на суше гигантских пресмы-
кающихся (гигантских ящеров — динозавров, летающих птеродактилей
и др.). В мезозое растительный мир и мир насекомых имеет много общего
с нашим временем. На Земле в это время появляются и первые представи-
тели млекопитающих, получивших подавляющее развитие в следующей
кайнозойской эре.
Примерно за 40—50 млн. лет до наших дней мезозойская эра сменяется
кайнозойской (эрой новой жизни), самой молодой эрой. Жизнь
в это время приобретает все более близкие к нашему времени формы.
Эры, в свою очередь, делятся на более мелкие отрезки времени — пе-
риоды, которые подразделяются на эпохи и века.
Для архейской и протерозойской эр существует только местное деление,
которое не имеет общего значения.
Палеозойская эра делится на шесть периодов (начиная с более древних);
1. Кембрийский.
2. Ордовикский,
3. Силурийский.
4. Девонский.
5. Каменноугольный.
6. Пермский.
Мезозойская эра делится на три периода:
1. Триасовый.
2. Юрский.
3. Меловой.
Кайнозойская эра делится на три периода:
1. Палеогеновый 1
2. Неогеновый J или тРетичнь1й-
3. Антропогеновый* или четвертичный.
Четвертичный период — последний период в развитии органического
мира, знаменуется появлением человека.
Благодаря самоотверженной работе геологов в настоящее время на
Земле обследовано почти все пространство суши. Горные породы, слагаю-
щие те или иные участки, за малым исключением отнесены по времени
своего образования к тем или иным эрам, периодам, эпохам, общим для
всего земного шара. Основой такого подразделения явились:
1) условия взаимной сменяемости пластов пород во времени; причем
более древние по возрасту пласты перекрываются в определенной последо-
* J3t греческого слова антропос — человек.
16
вательности более молодыми. Это позволяет устанавливать, какие породы
образовались раньше, какие позже и какие одновременно. Такой метод
расчленения толщи горных пород называется стратиграфическим;
2) тождественность по времени непрерывно развивающихся в процессе
эволюции жизненных форм. Это положение является основой так называв-
t g £
Рис. 3-1. Последовательный во времени ряд превращений раковины моллюска
Cornifex multiformis
мого палеонтологического метода, позволяющего по окаменевшим остаткам
или их отпечаткам в . горных породах устанавливать относительный воз-
раст осадочных отложений.
В качестве примера эволюции одного из моллюсков приводится рис. 3-1.
Здесь представлен последовательный ряд превращений раковины этого
моллюска, занявший много миллионов лет.
В результате изучения расположения и распространения горных пород
составляются геологические карты. На рис. 3-2 приводится схематическая
карта Европейской части СССР, на которой показано распространение от-
ложений тех или иных геологических периодов. На этой карте толща отло-
жений четвертичных пород (антропогена) не указывается, а приводятся
сведения по залеганию коренных, т. е. более древних (дочетвертичных)
пород, наиболее близко расположенных к поверхности. Естественно, что
в каждом случае под отложениями того или иного возраста в указанной
выше последовательности на некоторой глубине могут залегать более древ-
ние формации с теми или иными пропусками.
В истории Земли представляется возможным, опираясь на данные гео-
логической хронологии, выделить следующие основные горообразователь-
ные циклы (тектонические .революции): каледонский, герцинский, мезо-
зойский и альпийский. В каледонском цикле эпоха складчатости по времени
приурочена к ордовику-силуру и силуру-девону, в герцинском — к концу
каменноугольного и пермскому периодам, в мезозойском — к юрскому,
а в альпийском — к палеогеновому и неогеновому периодам.
С каледонским циклом горообразования на территории СССР связывает-
ся формирование хребтов Саян, Забайкалья, Станового хребта, хребта
Черского и гор Чукотки. Герцинский цикл, наиболее яркий по своему
проявлению, во многих случаях достигает громадной силы. В это время
формируется Уральский хребет, Тянь-Шань, Алтай и др. Времени про-
явления одной из фаз мезозойской складчатости, имеющей гораздо
меньшее значение, отвечают континентальные условия в средне-ази-
атских республиках, царившие здесь в юрском периоде. И, на-
Рис. 3-2. Схематическая геологическая карта Европейской час-
ти СССР:
1—послетретичные отложения; 2—третичная система; 3 — меловая система;
4—юрская система; 5 — пермо-триасовые отложения (переходные); 6 — пермская
система; 7— каменноугольная система; 8 — девонская система; 9 — силурийская
система и ордовик; 10— кембрийская система; 11 — выходы магматических по-
род и кристаллические сланцы (докембрийские образования, метаморфизованные
и изверженные породы); 12— древний палеозой
•конец, с альпийским цик-
лом — чрезвычайно интен-
сивного проявления горо-
образования — связывает-
ся история рождения
Альп, Карпат, Кавказских
горных цепей, Крыма, Па-
ifipa, Гималаев, гор Кам-
чатки и Сахалина и дру-
гих горных сооружений.
Соответствующим обра-
зом находят свое выра-
жение во времени эпохи
покоя, связанные с мор-
скими трансгрессиями и
накоплением мощных толщ
осадочных пород. Широ-
кая трансгрессия конца
девонского и начала ка-
менноугольного периодов
затопила морскими водами
всю Европейскую часть Со-
юза. Еще большее значе-
ние приобрела морская
трансгрессия в меловом
периоде. В это время под
водой оказалась огромная
территория, в том числе
'большая часть Русской
платформы (рис. 3-3), бас-
сейна Аральского моря
и вся Западно-Сибирская
низменность.
Как это следует из дан-
ных изучения условий
проявления геологических
процессов, последние находят свое наиболее яркое выражение примени-
тельно в той или иной, выделенной нами, тектонической эпохе. Таким
образом, эпохи покоя или горообразования могут характеризоваться по
преобладающему проявлению этих процессов. Основная характеристика
эпох в рассматриваемом отношении иллюстрируется табл. 2.
20 40 60 80
40 60
Рис. 3-3. Палеогеографическая карта Русской
платформы во второй половине верхне-мелового
периода (по Н. Страхову):
1 — мел; 2— глинисто-мергельные породы; <3 — глины,
чередующиеся с прослоями песка (флиш); 4 — пески; 5 —
область предполагаемого развития морских осадков; 6 —
вероятная граница распространения моря; 7 — граница
Русской платформы
ЧАСТЬ II
ГОРНЫЕ ПОРОДЫ И. УСЛОВИЯ ИХ ЗАЛЕГАНИЯ
ГЛАВА А
РАЗНОВИДНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД И УСЛОВИЯ
ИХ ОБРАЗОВАНИЯ
Отмеченные выше явления, связанные с тектоническими процессами,,
или, как говорят, с тектоникой, оказывают самое серьезное влияние на
породообразование., Напомним, что породы, слагающие земную кору, по
своему происхождению делятся на три класса:
I — магматические горные породы, образовавшиеся в результате внед-
рения и остывания проникших с глубины в земную кору магматических
масс (каменных расплавов) или излияния их на поверхность;
II — осадочные горные породы, образовавшиеся в результате осажде-
ния из воды или воздуха продуктов выветривания всех трех описываемых
классов горных пород;
III — метаморфические горные породы, возникшие в результате хими-
ческого и физического изменения осадочных (и нередко магматических)
пород под влиянием высоких температур и больших давлений.
1. Магматические горные породы
Магматические горные породы в свою очередь подразделяются на ин-
трузивные, или внедрившиеся, и эффузивные породы, излившиеся на по-
верхность, а также вулканические туфы. К числу наиболее известных
разновидностей интрузивных пород относятся граниты (рис. 4-1), сиени-
ты, диориты, габбро. Типичной эффузивной горной породой является
базальт. Все эти породы отличаются между собой по химическому составу,
а также по своим структурным особенностям, связанным с условиями их
образования.
Химический состав магматических горных пород определяется составом
исходных магматических продуктов, из которых образовались в процессе-
остывания эти породы. Характерной особенностью химического состава
тех или иных разновидностей магматических пород является содержание
кремнезема SiO2 в свободном и связанном состоянии (кварц и различные-
силикаты). По содержанию кремнезема как интрузивные, так и эффузив-
ные породы делятся на кислые, средние, основные и ультраосновные.
В кислых породах (группа гранитов) содержание кремнезема доходит
до 65—75%, в средних (группа сиенитов и диоритов)от 55 до 65%, &
основных (группа габбро) — от 40 до 55%, а в улътраосновных (пироксе-
ниты и перидотиты) — меньше 40%.
20
Рис. 4-1. Обнажение гранитов,
типичной интрузивной горной
породы
К группе гранитов относятся в основном граниты, кварцевые порфиры,
липариты-, к группе сиенитов — сиениты, сиенит-порфиры и трахиты,
к группе диоритов— диориты, диорит-порфириты и андезиты, к группе
габбро —- габбро, диабазы и базальты-, к группе ультраосновных — ду-
ниты, перидотиты и пироксениты.
Наиболее богатыми кремнеземом минералами являются кварц (SiO2),
полевые шпаты и слюда. Из полевых шпатов наиболее богаты кремнеземом
анортоклазы (калийнатриевые полевые шпа-
Л), представляющие собой изоморфные
(сходные по формам и свойствам) смеси
калиевых и натриевых полевых шпатов.
Основным представителем калиевых по-
левых шпатов является ортоклаз (К2О-
•Д12О3- 6Si0o), натриевых—альбит (Na2O-
• А13О3 • 6SiO2).
Анортоклазы отличаются светлыми то-
нами, преимущественно светло-розовой,
розовато-желтой, красноватой, реже-—бе-
лой окраски. Менее богата SiO2 другая
группа полевых шпатов — плагиоклазов,
представляющих собой изоморфные смеси
альбита с известковым полевым шпатом
— анортитом (CaO- А12О3- 2SiO2).
Плагиоклазы отличаются сероватыми
(серовато-белым, серовато-зеленоватым)
и даже синевато-бурым (лабрадор) то-
нами.
Из слюд в составе магматических гор-
ных пород наиболее часто встречаются
прозрачный бесцветный мусковит (кали-
евая слюда) и густо окрашенный (бу-
рый, красно-бурый, черный) биотит, в
сложный состав которого входят магний и
железо. Для магматических горных пород
характерны некоторые цветные минералы,
(амфиболы), авгит (пироксены) и оливин.
Все цветные минералы, содержащие в своем составе Са, Mg, Fe, харак-
теризуются преимущественно темной окраской (зеленой, бурой, черной)
и значительным удельным весом. Кварц, ортоклаз и светлая слюда особенно
характерны для кислых пород (группа гранитов); амфиболы, пироксены
и оливин — для основных и ультраосновных. Исключением является
биотит —- темная слюда, так же, как и мусковит, часто встречающаяся
в гранитах.
в том числе роговая обманка
211
Отсюда следует, что по своим главнейшим внешним признакам эти
труппы пород можно характеризовать следующим образом:
кислые породы — окраска светлая, относительно легкие (объем-
ный вес 2,7 Т/м3);
основные породы — окраска темная, относительно тяжелые
(объемный вес 2,8—3,1 Т/м3).
Средние породы, как промежуточные, характеризуются соответ-
ствующим составом и весом.
Магматические горные породы формируются в различных условиях
остывания и давления. Это обстоятельство создает различные условия
их кристаллизации, что находит свое выражение в разнообразных струк-
турных формах этих пород.
Различаются основные структуры магматических пород: полнокрис-
таллическая, порфировая, скрытокристаллическая и стекловидная.
Полнокристаллические породы состоят из кристаллов, бо-
.лее или менее одинаковых по размеру (например, гранит), и характеризу-
ются отсутствием в них стекла.
- Порфировая структура характеризуется выделением более или
менее крупных отдельных кристаллов — вкрапленников среди основной
массы (например, кварцевый порфир).
В скрытокристаллической структуре составные части
даже при сильном увеличении не различаются (например, фельзит).
Породы со стекловидной структурой состоят главным образом
из стекловидного аморфного вещества (например, обсидиана — вулкани-
ческого стекла).
Имеется ряд промежуточных структур: гранито-порфировая, порфиро-
видная и т. д.
Степень кристалличности структуры породы является показателем
длительности процесса остывания магмы и лавы. Полнокристаллическая
структура является показателем наиболее длительного процесса, стекло-
видная — наиболее быстрого. Наиболее медленно остывают массы, нахо-
дящиеся в большом объеме под защитой покровной толщи пород. Вследствие
этого полнокристаллическая структура свойственна интрузивным поро-
дам, застывшим на большой глубине; порфировая и стекловидная струк-
туры характерны для эффузивных пород.
Полнокристаллическая и порфировая структуры показаны на рис. 4-2.
В табл. 3 приведены основные внешние признаки некоторых групп
пород, а также наиболее интересные представители этих групп с одним и
тем же по составу исходным продуктом (магма и лава), но остывшие в раз-
личной обстановке и потому отличающиеся различной структурой.
Рис. 4-3 иллюстрирует условия залегания толщи диабаза, являющейся
••основанием самой высокой в СССР бетонной плотины Братской гидроэлект-
ростанции (р. Ангара, Сибирь).
:22
Рис. 4-2. Структуры магматических пород (при большом увеличении-
микрошлиф):
а _ полнокристаллическая равномернозернистая; б — порфировая
Рис 4-3 Обнажение толщи диабаза в берегах р. Ангары
Роль тектонических процессов в образовании магматических пород
в значительной мере предопределяет преимущественное распространение
магматических пород в зонах повышенной дислокации земной коры и в
первую очередь в горных массивах в период тектонических циклов и в эпо-
хи, непосредственно им предшествующие, как время максимального на-
копления в земном шаре тепла.
В этом отношении следует отметить особенно интенсивную вулканиче-
скую деятельность, связанную с альпийским горообразовательным цик-
лом. В это время вулканизм особенно сильно проявлялся в районе Тихого
океана, когда весь океан был опоясан с востока и запада огненным кольцом
действующих вулканов. Отзвуком этого периода является современная
вулканическая деятельность на Камчатке и Курильских островах.
В зависимости от условий излияния или внедрения в толщу покровных
пород магматические тела могут быть представлены в следующих основ-
ных формах: батолиты, лакколиты, всякого рода жильные образования
(в том числе пластовые жилы), покровы и, наконец, вулканические конусы
(рис. 4-4).
Батолит представляет собой очень большой, неправильных очер-
таний массив глубинных магматических пород, образовавшийся в толще
земной коры и обнажающийся на поверхности лишь вследствие размыва
вулканы
ЛаЬы плат и Кордильеаоб
Рис. 4-4. Условия и форма залегания магматических тел
покровной массы пород. Характерной особенностью батолитов является
отсутствие у них нижней границы вследствие их исключительно большо-
го распространения в глубину.
Под лакколитами подразумеваются плоско-выпуклые каравае-
образные интрузии с плоской подошвой, образующиеся в толще земной
24
коры в тех случаях, когда магма при своем поднятии не достигла земной
поверхности. Весьма характерно поднятие и изгиб пластов толщи пород,
вмещающей в себя лакколит (см. рис. 4-4). По своей величине и мощности
лакколиты различны и нередко имеют весьма большие размеры. Примером
крупного лакколита, обнажившегося в результате размыва перекрывав-
ших его пород, является известная гора Аю-Даг (Крым). Горы Машук,
Бештау, Змеиная, Лысая и т. д. в районе Минеральных Вод (Северный
Кавказ) также представляют собой лакколиты. Характерной особенностью
лакколитов является наличие у них подошвы. Таким образом, лакколиты
имеют ограниченную мощность по глубине и могут подстилаться комплек-
сом самых разнообразных пород, прор-
ванных в отдельных местах магмой при
ее внедрении в толщу. Примером такого
интрузивного тела является диабаз
р. Ангары (рис. 4-5).
Все жильные образова-
ния характеризуются ограниченной
мощностью. Обычно преобладают жилы
с мощностью от 1 до 3 м. По своему
происхождению жильные магматические
тела связываются с выполнением маг-
мой трещин в земной коре с соответст-
вующим их развитием под давлением. В
силу особенностей своего образования
жилы часто пересекают более древние по
отношению К НИМ породы. Рис. 4-5. Массив диабаза, секущего’
Секущие ЖИЛЫ пересекают и перекрывающего силурийские изве-
вмещающие их породы под самыми стняки (р. Ангара)
различными углами (рис. 4-6). Интру-
зивные тела, образовавшиеся при заполнении вертикальных трещин,
называются дайками (рис. 4-7).
Пластовые жилы залегают согласно напластованию вмещаю-
щих пород. Они особенно характерны для толщ, обладающих ясно выражен-
ной слоистостью — сланцы, мергели, песчаники и т. д. (рис. 4-8).
Пластовые жилы нередко имеют весьма большую протяженность, не-
мощность их может быть и незначительной. Обычно она измеряется немно-
гими метрами. В некоторых случаях мощность пластовых интрузий дости-
гает десятков метров или, наоборот, падает до 10 см. Здесь решающую роль,
играют условия проникновения магмы в толщу пород (степень свободы,
интенсивность давления), а также ее подвижность, как следствие ее хими-
ческого состава (кислотность) и температуры.
Покровы возникают при излиянии на поверхность преимуществен-
но основных лав с пониженной кислотностью (базальты). Мощность пок-
25-
ровов может при этих условиях варьировать в самых широких пределах —
от километров до немногих метров.
Нередко покровы магматических пород, например базальтов, перекры-
вают толщи мергелей, глин, галечников и других пород, характеризующих-
ся пониженной прочностью и устойчивостью или повышенной водопрони-
.цаемостью.
Вследствие выделения из остывающей лавы газов образующиеся в этих
условиях излившиеся магматические породы нередко обладают пористым,
роды (трахидолерит) в толще песча-
Рис. 4-6. Жила порфира, секущая ников, обнажившаяся в результате
толщу осадочных пород сноса вмещающей ее породы (Фергана)
иногда губчатым строением. Такая пористость характерна для базальтов
и в особенности для пемз. В особых случаях при подобных условиях обра-
зуются пустоты объемом до нескольких кубических метров.
Вулканические туфы. Всякое вулканическое извержение сопровождается
гвыбросом из кратера вулкана помимо лав большого количества механи-
чески раздробленных магматических продуктов в виде вулканического пеп-
ла, песка, лапиллей (камешков) и крупных вулканических бомб.
Обычно вулканические извержения сопровождаются ливнями. В этом
•случае пепел, смешиваясь с дождевой водой, образует мощные грязевые
потоки, способные покрывать громадные пространства. С течением времени
подобные грязевые массы слеживаются, уплотняются, подвергаются це-
ментации, превращаясь в своеобразную горную породу — туф.
В молодых вулканических областях туфы имеют очень большое распро-
странение. В зависимости от состава магматических продуктов различают
порфировые, диабазовые, фельзитовые и другие разновидности туфов.
При подводных извержениях вулканический материал может в про-
'26
Главнейшие магматические породы
Таблица 3
Кислот- ность (со - держание 51Ог)> % Интрузивные породы Эффузивные породы Окраска Объемный вес, Т/мя Плавкость Цветные ми- нералы (содержание), % Полевые шпаты
структура полнокристал- лическая, зернистая структура порфировая, скрытокристаллическая, почти плотная структура аморфная стеклова- тая
древневулка- 1 вововул- ни чески е |панические
Кислые (65-75) Г раниты Кварцевый порфир (ке- ратофир) Липарит Обсиди- ан, пем- за, смо- ляной камень Светлая (белые, ро- зовые, крас- ные) Легкие (2,7) 1 уго- плавкие Слюда (би- отит), ро- говая об- манка (5-15) Орто- клазы и кислые плагио- клазы
Средние (55—65) Сиениты (без кварца) Порфир Трахит Розова- тые, серо- ватые Средние (2,70— 2,95) Средне- плавкие Роговая обманка, авгит, био- тит (15—25) Орто- клаз и кислые полевые шпаты
Диориты Порфирит Андезит Сероватые, зеленоватые Средние (2,70— 2,95) Средне- плавкие Авгит, ро- говая об- манка, би- отит (15—25) Плагио- клазы
Основные (45—55) Габбро Мелафир Диабаз Базальт Черные, темно-се- рые Т яжелые (2,8— 3,1) Легко- плавкие Авгит, би- отит Плагио- клазы
Ультра - основные (35—45) го Перидотит Пироксенит Пикрит Черные или черно- зеленые Ультра- тяжелые (3,2) \ Легко- плавкие Авгиг, ро- говая об- манка, оливин Прак- тически отсутст- вуют
цессе своего осаждения смешиваться с обломочным материалом, прино-
симым в моря реками. Возникшие подобным образом породы морского
происхождения, нередко содержащие в своем составе значительное коли-
Рис. 4-8. Пластовая интрузия
(темные слои) в толще извест-
ковистых и глинистых сланцев
чество осадочного материала, относятся к
туфогенным отложениям и носят наимено-
вание туффитов. Как обычные осадочные
породы туффиты имеют ясно выраженное
слоистое сложение и отличаются повышен-
ной плотностью и однородностью.
При наличии в вулканических туфах
значительного количества обломков зас-
тывшей лавы образуется своеобразная
порода, называемая туфобрекчией или
вулканической брекчией.
Часто туфы залегают в виде некото-
рого сложного комплекса с переслаива-
нием теми или иными магматическими по-
родами из группы излившихся (эффузив-
ных), например базальтами.
Нередко туфовая толща переслаивает-
ся самыми разнообразными осадочными
породами. В этом случае имели место
повторные извержения через значительные промежутки времени, до-
статочные для накопления тех или иных продуктов осадочного проис-
Рис. 4-9. Слоистые туфы и туффиты девонского времени (восточный
склон Южного Урала)
хождения. В подобных случаях толща туфов носит ясно выраженный
слоистый или даже пластовый характер (рис.4-9).
28
1L Осадочные горные породы
Осадочными называются горные породы, образующиеся при осаждении
и накоплении в той или иной среде (водной, воздушной) продуктов физи-
ческого и химического выветривания (разрушения) исходных пород с пос-
ледующим уплотнением и нередко цементацией осадка.
Выветривание горных пород связано с воздействием на них ряда ат-
мосферных агентов, а также физических и химических процессов. Прояв-
ление выветривания в жестких скальных породах начинается обычно с
расчленения массива на все меньшие и меньшие блоки в связи с неравно-
мерным нагреванием и остыванием (физическое выветривание). Этому
процессу способствуег расширение замерзающей в трещинах воды.
Процесс физического выветривания обычно сопровождается все про-
грессирующим по мере расчленения породы химическим ее выветриванием.
Химическое выветривание связано с воздействием на горные породы кисло-
рода, углекислоты и воды и ведет к разложению породы путем каолинизации
(превращения в глину) входящих в их состав полевых шпатов и слюд,
растворения карбонатного и гипсового веществ, цементирующих породу.
В конечном проявлении процесса выветривания горная порода превраща-
ется в скопление глинистых продуктов, обогащенных тем или иным содер-
жанием песка (зерна стойких минералов), и более крупных обломочных
продуктов в виде дресвы и щебня. Разрушающее действие на горные по-
роды оказывают и различные организмы, а также корни растений.
Осадочные горные породы в соответствии со своим составом и проис-
хождением (генезисом) делятся на три генетических группы: обломочные,
органогенные и химические. Обломочные породы представляют собой скоп-
ление непосредственных продуктов разрушения исходных пород, часто
связанное с их перемещением и переотложением. Органогенные (или био-
химические) породы образовались в результате деятельности тех или иных
организмов. Химические породы связаны с выпадением в осадок солей из
водных растворов как конечных продуктов физико-химического выветри-
вания исходных пород.
Очевидно, что характер осадочных горных пород по их составу, усло-
виям залегания и мощности в значительной мере предопределяется соста-
вом исходных горных пород, характером продуктов разрушения, за счет
которых при их осаждении образовались осадочные породы, и, наконец,
условиями, в которых протекало это осаждение и дальнейшее формирова-
ние пород.
Совокупность природных условий, характеризующих обстановку, в
которой происходило образование породы, определяется той или иной
фацией (морской, лагунной, континентальной и пр).
Отражая условия своего образования, осадочные горные породы, как
йравило, носят слоистый или пластовый характер. Это обстоятельство
29
является одним из наиболее важных текстурных признаков осадочных
пород.
Обломочные породы. Обломочными называются породы, образовавшие-
ся из рыхлых твердых продуктов физического и химического выветрива-
ния (разрушения) исходных горных пород, оставшихся на месте или от-
ложившихся в результате последующего переноса.
Обломочные осадочные породы могут быть подразделены на следующие
категории: собственно обломочные с дальнейшим их подразделением на
рыхлые — зернистые (например, песок, щебень, галька) и сцементиро-
ванные (например, песчаники, конгломераты), а также глинистые породы,,
которые нередко выделяются в самостоятельную группу. Среди глинистых
пород различаются рыхлые (например, разнообразные глины, суглинки и
супеси) и сцементированные (например, аргиллиты, алевролиты).
Образование горных пород из осадка связывается с процессами диаге-
неза. Под поздним диагенезом, или эпигенезом, мы обычно понимаем сово-
купность тех видоизменений в осадочных породах, которые обусловлива-
ются многовековым уплотнением грунтов отложившимися выше толщами
пород и связующим воздействием на осадочную породу многообразных
природных цементов или, наоборот, выщелачиванием солей из грунта
подземными водами.
Так, в результате многовекового уплотнения из илистых осадков,
образуются глины, а в результате цементации природными цементами пес-
ков, гальки и щебня — разнообразные песчаники, конгломераты и брекчии.
Наиболее прочным цементом является кремнистое, наиболее слабым —
глинистое вещество. Известковые и гипсовые цементы занимают промежуточ-
ное положение.
Степень уплотнения глинистых пород, связанная с процессами диаге-
неза, определяется временем и величиной веса перекрывающих толщ.
Отсюда следует, что наиболее уплотненными и одновременно наиболее
твердыми должны оказываться глины, более древние по своему образова-
нию и залегающие или когда-то залегавшие на значительной глубине.
К числу таких более прочных уплотненных и сцементированных разностей,
глинистых пород относятся аргиллиты и алевролиты (более грубого состава).
По петрографическому и минералогическому составу обломочные оса-
дочные породы всегда родственны своим исходным материнским породам..
Поэтому наряду с наиболее распространенными в природе кварцевыми
песками, щебнем, галькой и гравием — продуктами разрушения магмати-
ческих пород — встречаются также, но уже значительно реже полево-
шпатовые (аркозовые), оливиновые, известковые и даже маловодоустой-
чивые гипсовые пески, известковый щебень, галька и т. д.
Гранулометрический состав обломочных пород с практической точки
зрения представляет интерес прежде всего тем, что он свидетельствует
о крупности зерен, слагающих породу, а также о степени ее однородности.
30
Оба эти свойства обломочных пород в полной степени определяются про-
исхождением и обстановкой их накопления (генезис и фация).
Обломочные осадочные породы, такие, как, например, галька и песок
или рыхлые глинистые осадки, свойственны в основном молодым и совре-
менным отложениям. Встречаются они чаще всего в прибрежной зоне
современных морей и озер, а также в долинах рек. Сцементированные раз-
ности обломочных пород, конгломераты, песчаники, аргиллиты и др. (см.
Рис. 4-10. Толща песчано-глинистых отложений
ниже, табл. 4) относятся к древним отложениям предшествующих геологи-
ческих эпох, но образовавшихся в тех же физико-географических условиях.
Характер возможного строения песчано-глинистой толщи, как комплекса
сменяющихся осадочных отложений, виден на рис. 4-10.
Органогенные осадочные породы. Органогенные породы делятся на
зоогенные, происхождение которых связано с жизнедеятельностью орга-
низмов (большинство известняков и др.), и фшпогенные, образованные
органическим веществом растений (торф, каменный уголь и др.).
Наиболее широко распространенными представителями органогенных
пород являются разнообразные известняки (породообразующий минерал
кальцит СаСО3), доломит—CaCO3-MgCO3. Эти породы часто именуются
карбонатными, к ним относится также и писчий мел. Как известно, обра-
зование известняков в основном связано с накоплением известковых ра-
31
ковин самых разнообразных моллюсков или скелетов морских организмов
и в том числе кораллов. Известняки обладают значительной структурной,
прочностью, придающей им свойства скалистых пород. Указанным ка-
чествам зти породы обязаны последующей цементации остатков организ-
мов углекислой известью СаСО3 и уплотнению под воздействием процесса
диагенеза.
Мел представляет собой породу, образованную скоплением остатков
раковин микроскопических морских организмов (например, фораминифер),
но обязанную своим происхождением их планктонным формам. Мел,так
же как и известняки, состоит в основном из углекислого кальция. Отло-
жения мела прослеживаются широкой полосой от обрывов реки Дона до
Белых скал Дувра (Англия).
Особенно благоприятные условия для жизнедеятельности морских ор-
ганизмов, а также и мощного развития в плане и по глубине известняков
как горных пород создавались на Земле в эпохи тектонического покоя,
когда в связи с понижением континентов теплые моря широко разливались
и затапливали большие пространства суши (трансгрессия моря). Таковы
мощные скопления мела в меловом периоде и известняков в верхне-камен-
ноугольном периоде, в эпоху, предшествующую герцинской горообразо-
вательной фазе.
К последнему периоду с повсеместным резким потеплением относится
накопление в прибрежных зонах теплых морей растительных остатков,
давших начало мощным месторождениям каменного угля.
С другой стороны, каменные угли Средней Азии связаны с накоплением
их на заболоченных участках внутренних водоемов в континентальных
условиях. Такие условия имели здесь место в связи с поднятиями в юрском
периоде.
Химические осадочные породы образовались путем выпаривания при
соответствующих условиях из морских или озерных вод растворенных в
них солей. Такие условия возникают в некоторых озерах и морских ла-
гунах при повышении концентрации водных растворов и понижении тем
пературы (охлаждение воды в зимнее время). В этом отношении интерес-
ным примером может служить выпадение в зимнее время ценнейших солей
мирабилита или глауберовой соли (Na2SO4- 10Н2О) в заливе Кара-Богаз-
Гол Каспийского моря.
К числу химических осадочных пород в первую очередь должны быть
отнесены: гипс CaSO4-2H2O, ангидрит (безводный сернокислый кальций
CaSO4) и каменная соль, состоящая, в основном из минерала галита (хло-
ристый натрий NaCl).
В эпохи тектонических революций в связи с подъемом континентов
и регрессией морей из-под воды освобождались огромные пространства
суши с оставшимися на ней в зонах понижения рельефа замкнутыми или
полузамкнутыми водными бассейнами. В. этих условиях, в особенности
32
в связи с изменением климатической обстановки (похолодание), свойствен-
ных циклам горообразования, создавались особенно благоприятные усло-
вия для накопления химических осадков. Так, залежи гипсов на севере
Европейской части Союза, калийные месторождения Березняков по времени
своего образования относятся к пермскому периоду и отвечают участкам с
наметившимися прогибами земной коры. Как известно, пермский период
совпадает по времени с проявлением герцинской складчатости и формиро-
ванием Уральского хребта и характеризуется мощной регрессией морей.
Богатейшие залежи каменной соли в Украинской ССР отвечают по времени
девонскому в эпоху каледонской складчатости и главным образом перм-
скому периодам, связанным также с регрессией морей в результате под-
нятия суши. Перечень главнейших осадочных горных пород приводит-
ся в табл. 4.
Таблица 4
Наиболее важные представители класса осадочных горных пород
I Обломочные породы II Органогенные породы III Химические породы
Рыхлые Сцементирован- ные Зоогенные Фитогенные
Собственно обломочные Щебень Дресва Галька Гравий Песок Брекчия Конгломерат Песчаник Известняк Мел Торф Каменный уголь Гипс Ангидрит Каменная соль Доломит
Г линистые Супеси Суглинки Глины ~ Алевролит Аргиллит
Следует отметить, что существуют породы, занимающие промежуточное
положение между тремя указанными группами, так, например, мергель—
глинистая порода с большим или меньшим содержанием извести (СаСО3),.
а такж^сЫслшт (двойная углекислая соль кальция и магния CaMg(CO3)2.
Ш. Метаморфические горные породы
Метаморфическими горными породами называются породы иногда маг-
матического, но преимущественно осадочного происхождения, после свое-
го образования подвергшиеся более или менее глубоким видоизменениям —
химическим и физическим (рис. 4-11).
Различают две формы метаморфизма: контактный метаморфизм и
динамометаморфизм.
2 Заказ № 549 33
Контактный метаморфизм обусловливается воздействием на окру-
жающие горные породы высокой температуры, газов и горячих раство-
ров при прорыве магматических масс в толщу ранее отложившихся пород.
В результате этого контактный метаморфизм находит свое выражение,
с одной стороны, в оплавлении породы, с другой,— в их перекристалли-
зации и цементации.
Динамометаморфизм связывается с воздействием на горные породы
высокой температуры и огромных давлений, возникающих в процессе
горообразования.
Рис. 4-11. Выходы метаморфических пород (известковых сланцев)
на р. Белой (фото В. В. Никифорова)
В формировании метаморфических пород превалирующее значение имеет
динамометаморфизм, всегда связанный с проявлением сил сжатия.
В процессе метаморфизма, обусловленного вулканическими явлениями
и горообразовательными процессами, обломочные породы могут снова
й полной мере восстановить свою структурную связь и свойства твердых
тел. Сыпучие, кварцевые пески могут перейти при этом в свою метаморфи-
ческую разность — кварцит, характеризующийся высокой прочностью.
Глинистые породы, в обычных условиях обладающие невысоким сцеп-
лением, в условиях увеличивающихся давления и температуры все больше
и больше приобретают свойства скалистых пород, переходя в глинистые
'сланцы, филлиты, слюдистые сланцы и, наконец, в гнейс, представляющий
,34
Г ' ,
собой ясно выраженную каменистую породу. Таков же переход различных:
известняков в метаморфический мрамор с ясно выраженной кристалли-
ческой структурой. Метаморфические сланцы с кристаллической струк-
турой называются кристаллическими сланцами.
Метаморфизм проявляется более интенсивно у пород, залегающих в-
глубоких горизонтах. В силу этого наиболее ясно выраженные метаморфи-
ческие породы встречаются в первую очередь в тех районах, где в резуль-
тате горообразовательных движений голубоко залегающие пласты пород
оказались вынесенными кверху и вскрытыми последующими агентами
разрушения. Такая обстановка в наибольшей степени соответствует полу-
разрушенным древним горным областям, например Уралу, Карелии и т. д.
Для кристаллических сланцев очень характерна их вторичная сланце-
ватость, или кливаж, как следствие проявления сил сжатия. Такой породе,
как, например, глинистые сланцы, кливаж сообщает способность расслаи-
ваться на очень тонкие слои.
Наиболее видоизмененными оказываются обычно наиболее древние
породы, перекрытые в своем гелогическом прошлом мощной толщей позд-
нейших осадков, измеряемой многими километрами, и в силу этого испы-
тавшие влияние как наибольшего давления, так и воздействия высоких,
температур. В более близких к поверхности горизонтах метаморфизм
должен был проявляться слабее.
В табл. 5 приведены примеры метаморфизма некоторых пород в соот-
Таблица 5
Примеры метаморфизма осадочных пород
Пояс выветривания Пояс цементации Пояс метаморфизма
верхний глубинный средний глубинный нижний глубинный
Чистый квар- цевый песок Кварцевый песчаник Кварцит Сланцевый кварцит Перекристалли- зованный кварцит-
Глина Г линистый сланец Филлит Слюдистый сла- нец Гнейс
Кварцевый песок с глиной Песчаник Серицитовый кварцит Слюдистый кварцит К варцитовидный гнейс
Кварцевая Кварцевый Филлитовый Конгломерато- Конгломерато-
галька с гли- нистым цемен- том конгломерат конгломерато- слюдистый сланец слюдистый сланец вый гнейс и слю- дистый сланцевы® гнейс
Мергель Известковый сланец Известковый филлит Известково- слюдистый сланец Гнейс с содер- жащими кальций- силикатами
Чистый из- Полукри- Тонкозер- Грубозернис- Крупнозернис-
вестняк сталлический известняк нистый мра- мор тый мрамор тый мрамор
35«
ветствии с глубиной их погружения, т. е. последовательным увеличением
воздействия все более высоких давлений и температур.
Наибольшее распространение метаморфические кристаллические сланцы
имеют в толще докембрийских формаций. В более молодых системах эти
породы встречаются в районах, характеризующихся мощным проявлением
дислокации.
Нередко толща метаморфических пород прорезается жилами извержен-
ных пород, в свою очередь обусловливавших воздействие местного контакт-
ного метаморфизма
ГЛАВА 5
’ - УСЛОВИЯ И ФОРМЫ ЗАЛЕГАНИЯ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД
Область распространения осадочных пород. По своему происхождению
все осадочные горные породы делятся на морские отложения и континен-
тальные (речные аллювиальные, ледниковые и др.). Очевидно, что преи-
мущественное распространение осадочных пород того или иного вида в
грунтовой толще будет превалировать в зависимости от преобладания при
их накоплении тех или иных условий. Так, например, преобладание в
толще морских отложений того или иного вида (обломочных, глинистых,
органогенных). будет отвечать эпохам морских трансгрессий (эпохам тек-
тонического покоя). И наоборот, континентальные отложения связываются
с временем высокого стояния континентов в эпохи проявления каледонской,
герцинской и альпийской складчатостей.
При оценке условий залегания морских отложений, как и во всех иных
случаях, нас интересует область их распространения в плане, чередуемость
в толще пород того или иного вида и возраста, мощность отдельных плас-
тов, слагающих толщу, и мощность всей толщи.
Применительно к • значительным или даже к исключительно большим
размерам морей, морские осадки той или иной трансгрессии и одного и
того же вида могут быть распространены на больших площадях. Примером
могут служить отложения упомянутого уже писчего мела, покрывающего
собой громадные пространства на юге Европы. В этом отношении осадочные
породы морского происхождения, или, как мы часто говорим, морской фа-
ции, резко отличаются от пород континентальной фации в виде аллюви-
альных, озерных, болотных и других (за исключением ледниковых) отло-
жений, всегда ограниченных по своей площади.
При оценке размеров площади распространения пород морской фации
того или иного возраста необходимо считаться с тем, что континентальные
массивы в их геологическом прошлом оказывались в те или иные сроки
затопленными морем, и, следовательно, в толще пород, слагающих сушу,
мы почти во всех случаях обнаруживаем отложения соответствующих
морских трансгрессий.
Свидетельством этого могут служить юрские черные глины Москвы
36-
й Подмосковья, как осадки мелкого моря, некогда затапливавшего эти
территории, служившие прибежищем ныне ископаемых динозавров и пте-
родактилей. Мощный массив известняков Крымской Яйлы, обрываю-
щийся километровым уступом к побережью Южного Крыма, говорит о
том, что эта горная область была некогда затоплена теплым морем с его
бесчисленными организмами с известковистыми скелетами.
Однако очевидно, что далеко не все морские трансгрессии, имевшие
развитие в жизни Земли, находят или нашли свое отражение на каждом
данном участке суши. Прежде всего следует отметить, что во многих слу-
чаях отложения предшествующих морских трансгрессий оказывались смы-
тыми последующими трансгрессиями или снесенными в результате про-
цессов денудации, связанных с деятельностью рек (эрозия), ветра (дефля-
ция) и ледников (экзарация) в периоды высокого стояния континентов.
Это положение особенно справедливо в отношении маломощных отложений
рассматриваемой морской трансгрессии. Однако наибольшее значение в
.часто наблюдаемом пропуске отложений той или иной морской трансгрес-
сии в толще пород имело и имеет высотное положение континентов в геоло-
гической истории Земли. Погружения и опускания континентальных мас-
сивов, имевших более или менее общий характер в эпохи тектонического
покоя, носили для разных участков суши, в одно и то же время, различную
величину. При этом условии ниже уровня океана в одно и то же время,
конечно в его геологическом исчислении, оказывались лишь определен-
ные участки суши, которые и затапливались водами соответствующей
трансгрессии. В то же время были и другие участки суши, более возвышен-
ные, где моря не было и где по этой причине не могли накапливаться
осадки данной морской фации. В этом отношении показательным примером
является Ленинград и прилегающие к нему районы. Здесь нашли свое вы-
ражение отложения' морской трансгрессии (кембрийские глины и извест-
няки ордовика), предшествовавшей каледонской складчатости и имевшей
место около 400 млн., лет тому назад. С тех пор до самого последнего,
в геологическом смысле, времени (последние 10—12 тыс. лет) территория
Ленинграда и его окрестностей представляла собой сушу и воды последую-
щих (после ордовика) мощных трансгрессий нижнего карбона и мелового
периода обошли данный район. В силу этого молодые четвертичные отло-
жения перекрывают здесь древние палеозойские породы.
Другим примером может служить территория Москвы с прилегающими
к ней областями. В связи с поднятиями начальной стадии альпийской склад-
чатости меловое море, затапливавшее эту территорию и отложившее буро-
желтые пески (в обрывах Ленинских гор) около 100 млн. лет тому назад,
навсегда ушло отсюда и мы не находим в этой местности следов других мор-
ских трансгрессий и других пород морской фации.
Вместе с тем, в различные периоды, жизни Земли одни ‘и те же участки
континентальных массивов при, низком их стоянии могли периодически
<37
затапливаться водами^ морей. Это обстоятельство приводило к тому, что
в ряде случаев мы сталкиваемся в одном и том же месте по глубине толщи
с морскими осадочными породами разного возраста, связанными с различ-
ными, часто последовательными морскими трансгрессиями. Так, например,
в районе Москвы и Московской области по низу разреза на кристалличе-
ском фундаменте, встреченном при бурении на глубине 1648 м и представ-
ленном гнейсами, залегают отложения морской фации (конгломераты,
песчаники и сланцы) протерозойской эры и глины кембрийского периода.
Отложения ордовика и силура здесь отсутствуют, свидетельствуя тем
самым, что в это время в рассматриваемом районе в течение примерно
150 млн. лет господствовали континентальные условия, связанные с под-
нятиями, как результатом проявления каледонской горообразовательной
фазы. Отложения кембрия перекрываются здесь непосредственно комплек-
сом известняков, доломитов, мергелей и глин как продуктом отложений
мощной средне- и верхнедевонской и каменноугольной трансгрессии. Здесь
ближе к поверхности мы встречаемся с толщей черных уже юрских пестро-
цветных глин, перекрытой песками прибрежной фации мелового моря.
Здесь мы снова сталкиваемся с морской регрессией и наступлением конти-
нентальных условий в пермском и триасовом периодах (герцинская горо-
образовательная фаза) и новым мощным проявлением юрской и меловой
трансгрессии. По существу дела между отложениями пород морской фации
здесь должны были бы находиться породы, отвечающие высокому стоянию
континентов и регрессии морей (породы континентальной фации). Од-
нако в большинстве случаев такие осадки в описываемых случаях от-
сутствуют, так как они, как правило, легко размываются и смываются
волнами очередной морской трансгрессии. Этому способствуют два усло-
вия: 1) континентальные отложения почти во всех случаях имеют меньшую
мощность по сравнению с толщей морских осадков; 2) обычно они
бывают представлены слабымц по прочности и несцементированными
разностями (пески, галька, суглинки, супеси и т. д.). Эти обстоятельства
облегчают размыв и снос отложений континентальных фаций при морских
трансгрессиях.
Здесь следует отметить еще одно положение. Дело в том, что морские
трансгрессии и регрессии, как правило, являются следствием опусканий и
поднятий участков континентальных массивов в связи с тектоническими яв-
лениями. Однако колебание уровня океана и связанных с ним морей и тем
более внутренних обособленных водоемов типа Каспийского моря может быть
вызвано и иными причинами, например климатическими. Такие колебания
называются «эвстатическими». Так, например, известно, что скопление
огромных масс льда на суше во время ледниковых периодов способствовало
значительному понижению уровня мирового океана. Вместе с тем имеются
предположения, что при таянии ледников, покрывающих Антарктиду и
Гренландию ледяным панцирем мощностью от 1 до 3—4 км, уровень ми-
38
рового океана поднимется на 80—90 м. |В этом случае снова оказались
>бы затопленными не только огромные пространства, являющиеся сушей,
тю« многие города, как,''например, Ленинград, Лондон, Нью-Йорк и др.
Отметим также, что уровень Каспийского моря в значительной мере
является связанным с приточностью впадающих в него рек и в первую
очередь Волги, Урала, Куры и Терека. В настоящее время Каспийское
море переживает период низкого стояния своего уровня и на глазах одного
поколения людей самым заметным образом меняет свое очертание в связи
•с изменением положения береговой линии. Следует добавить, что в геоло-
гическом прошлом в области прикаспийской впадины отмечены мощные
морские трансгрессии. В этом периоде водами Акчагыльского моря оказа-
лись затопленными огромные пространства прикаспийской впадины, а
.по долине Волги воды Акчагыльского моря доходили до современных го-
родов Казани и Уфы.
Из приведенных выше данных вытекает три логических вывода:
1. Породы морской фации могут быть встречены в толще осадочных
цород на той или иной глубине повсеместно.
2. Эти породы отвечают преимущественно времени накопления осад-
ков в морях в результате морских трансгрессий в эпохи тектонического
покоя.
3. Как правило, в толще осадочных пород могут быть встречены породы
морской фации различного возраста.
Переходя к вопросу о распространении пород континентальной фации,
•следует подчеркнуть, что в силу незначительной их [мощности и малой
прочности такие породы легко размывались и сносились. При этом усло-
вии мы встречаемся с осадочными породами континентальной фации, как
правило, на участках современной суши, где не было новых
трансгрессий.
В составе осадочных пород континентальной фации выделяются: ал-
лювиальные (речные), озерные, болотные, эоловые и ледниковые отложения.
-Область распространения осадочных пород континентальной фации, как
и морской, территориально ограничивается условиями проявления про-
цессов, определяющими накопление таких осадков. При этом очевидно,
что химические осадки горько-соленых озер могут быть встречены лишь
на площадях современных или уже высохших ранее богатых солями озер.
Торфяные залежи и часто подстилающие их илистые отложения, естествен-
но, отвечают областям распространения и контурам торфяных болот.
Аллювиальные отложения, представленные обычно гравелисто-галеч-
никовыми и песчаными отложениями, а также супесями и суглинками,
отвечают территории долин данных рек и в силу этого, как правило, имеют
ограниченное распространение. Однако при оценке условий распростра-
нения и залегания аллювиальных отложений всегда следует считаться
-с тем, что конфигурация современных рек часто не отвечает их положению
39
в геологическом прошлом. Нередко в пределах долин, часто имеющих
очень широкое развитие, мы встречаемся с древними руслами, переуглуб-
ленными на десятки метров, не совпадающими с современными, выпол-
ненными более молодыми аллювиальными осадками. Почти неизбежны-
здесь и террасы, расположенные по бокам долин и почти всегда сложенные-
речными осадками, как свидетельство деятельности реки в прошлом на
других уровнях. Наконец, следует отметить существование и так называе-
мых аллювиальных равнин, имеющих нередко огромную площадь. Эти
равнины связаны с деятельностью рек с блуждавшими по равнине рус-
лами. Такие условия создавались и создаются особенно легко при регрес-
сиях морей, когда территории оказываются в результате деятельности
моря нередко идеально выположенными. Так, в геологическом прошлом
известны аллювиальные равнины восточных областей Поволжья, образо-
вавшиеся здесь в верхнепермское время, в начальную эпоху поднятий,
связанных с герцинской складчатостью. Известны также отложения ал-
лювиальной равнины в области западно-сибирского опускания. Однако-
такое положение является исключением, и в общем случае следует считать,,
что область распространения аллювиальных осадков строго ограничива-
ется долиной данного водотока.
К эоловым осадкам в первую очередь должны быть отнесены отложения
эолового лёсса и эоловые пески. Эоловые пески находят свое выражение*
в дюнах и барханах. Дюны — перевеваемые ветром гряды песков, привя-
зываются, как правило, к берегам морей и отчасти рек, располагаясь отно-
сительно узкой полосой. Барханы, часто достигающие по высоте десятков;
метров, являются, по существу дела, дюнами, покрывающими собой пус-
тыни в континентальных районах. Они распространяются уже на более
значительные площади, например в пустыне Кара-Кум в Средней Азии.
Эоловый лёсс представляет собой породу, образовавшуюся путем осаж-
дения из воздуха атмосферной пыли, как наиболее мелких продуктов вы-
ветривания горных пород, или развевания в определенных условиях ранее
отложившихся осадков. При незначительной влажности воздуха пыль мо-
жет удерживаться в атмосфере неопределенно долгое время и в силу этого-
уноситься ветром от источника развевания на многие сотни и даже тысячи
километров.
Область распространения лёсса, по существу дела, ограничивается
климатическими факторами (направление господствующих ветров и влаж-
ность воздуха), характерными для эпохи образования этих толщ. При этом-
условии лёссовые породы могут быть встречены на очень больших терри-
ториях. Отметим, что лёссы имеют почти повсеместное распространение
в республиках Средней Азии и занимают обширнейшие площади на юге1
континентальной Азии. Большие площади перекрыты лёссовидными по-
родами и на юге Европейской части Союза. С этими породами, залега-
ющими обычно по верху геологического разреза и перекрывающими со-
40
бой более древние породы других фацийf советским строителям при-
ходится встречаться очень часто.
'“Не меньшее распространение у нас в Союзе, но уже в средней и север-
ной Европейской его части, имеют ледниковые отложения. Эти отложения,
представленные в основном глиной с валунами и песками, оставлены стаяв-
шими ледниками, перекрывавшими с перерывами несколько сот тысяч лет
километровой толщей эту территорию и спускавшимися с нагорья Сканди-
навского полуострова. Ледники в некоторых стадиях своего развития до-
ходили своими языками до района Днепропетровска и Дона. Ледниками
в свое время была перекрыта значительная часть Западной Европы. Боль-
шое распространение имели ледники в горных областях. Естественно, что
ледниковые отложения могут быть встречены лишь в областях, перекры-
тых в свое время ледниками, и на прилегающей к их границе территории.
Как правило, ледниковые отложения относятся по времени своего образо-
вания к четвертичному периоду и перекрывают собой более древние породы.
*С этими отложениями, обычно покровными, советским строителям часто при-
ходится иметь дело.
Мощность пластов и толщи осадочных пород. С инженерной точки
.зрения мощность отдельных пластов и всей толщи осадочных пород в
целом имеет существенное значение и в особенности, когда мы встречаемся
с относительно молодыми породами четвертичного возраста, обычно более
слабыми. При этом оказывается особенно важным учитывать условия,
.предопределяющие ту или иную мощность толщи осадочных пород и сла-
гающих ее пластов.
Большая или меньшая мощность толщи осадочных пород определяется
.следующими условиями:
1) длительностью периода седиментации (осаждения) и аккумуляции
(накопления) исходных продуктов для образования осадочных пород;
2) интенсивностью привноса обломочных продуктов в область аккуму-
ляции и процесса накопления органогенного материала и химических
продуктов;
3) наличием в рельефе значительных депрессий (понижений), где соз-
даются благоприятные условия для аккумуляции осадков и их сохране-
ния;
4) наличием в районе прогрессирующих прогибов в земной коре, при-
водящих к образованию таких понижений (области геосинклиналей).
Часто наблюдаемая значительная мощность толщи осадочных пород
(измеряемая нередко километрами) определяется тем условием, что боль-
шинство геологических процессов и видоизменений совершается в сроки,
измеряемые нередко многими сотнями тысяч и миллионами лет. Так, напри-
мер, накопление известкового ила в морях, как исходного продукта для
-образования известняков, идет в долях миллиметров и даже в нескольких
миллиметрах в год. Допустим, что для нашего примера это накопление идет
41
со скоростью осаждения ила 1 мм в год. При такой казалось бы ничтож-
ной интенсивности накопления осадка в 1 млн. лет толща ила достигла
бы 1000 м. В ряде случаев толща осадочных пород достигает мощности,
десятков километров. Такова, например, угленосная толща Донбасса,,
мощность которой равняется 10,6 км. Даже при значительно больше»
интенсивности накопления прибрежных осадков, образовавших эту толщу,
для ее накопления потребовались многие миллионы лет.
Очевидно, что за такие длительные сроки условия накопления осадков,
оставались неизменными лишь в исключительных случаях. Изменение
береговой линии и связанное с этим повышение или уменьшение глубины;
бассейна, а также удаление рассматриваемого пункта от береговой линии
должно было сказываться на характере осаждавшегося материала, а от-
сюда и на виде образовавшихся пород.
Угленосная толща Донбасса, относимая к каменноугольному периоду,,
сложена в основном породами глинистой и песчано-глинистой фации,
переслаиваемой песчаниками и отчасти известняками с числом только
одних прослоев известняков в толще 120—150 при их мощности от 0,5
до 10 м.
Образование таких прослоев известняков требовало уже значительно
меньшего времени, чем всей толщи в целом, но все-таки тысяч лет.
Влияние на мощность пластов и толщи осадочных пород интенсивности
привноса, например, в водный бассейн исходного материала, естественно,
связывается с конфигурацией и рельефом береговой линии, климатически-
ми агентами и в первую очередь с удалением рассматриваемого пункта
от береговой линии. Понятно, что привнос в бассейн так называемого тер-
ригенового материала, т. е. продукта механического размыва суши, пред-
ставленного в основном песком и глинистым илом, будет наиболее интен-
сивным при значительных падениях рек и их расходе, т. е. в условиях
горного рельефа суши и периодов, богатых атмосферными осадками. При
всех прочих равных условиях интенсивность накопления водных осадков
вблизи береговой линии, представленных наиболее грубообломочной частью
привнесенного в бассейн материала (галька, гравий, грубозернистые пески),
будет наибольшей. Накопление глинистых и илистых продуктов, выно-
симых в открытое море течениями и рассеиваемых часто на огромных пло-
щадях, естественно, будет идти несравненно медленней. Однако при всех
прочих равных условиях мощность водных осадков ограничивается также
глубиной бассейна или потока ш не может быть больше его глубины.
Но, как это уже отмечалось выше, толща осадочных пород может изме-
ряться километрами и даже десятками километров. Очевидно, что обра-
зование таких толщ могло возникнуть лишь в условиях постепенного опус-
кания под весом накапливающихся осадков и прогиба наиболее податли-
вых гибких участков земной коры — геосинклиналей. В дальнейшем эти
участки при деформации всего земного шара и следовавшей за нимуде-
42
формации земной коры сминались в первую очередь, способствуя образова-
нию мощных горных складчатых сооружений. Мощные толщи аллювиальных
отложений могли образоваться только в связи с постепенным или более
резким понижением территорий на отдельных участках по длине водотоков
или в их устье. С таким явлением мы встречаемся, в частности, на р. Ка-
туни, где при обычной относительно малой мощности аллювиальных отло-
жений встречаются участки аллювиальных отложений, мощность которых
превышает 100 ж. Показательным в этом отношении является и район Жи-
гулевских гор на Волге. В связи с рядом поднятий и опусканий в этом райо-
не Волга разработала и в дальнейшем заполнила своими осадками с общей
мощностью до 250 м ряд ныне погребенных долин. Наиболее глубокая
из них (с глубиной до 140 м ниже современного уровня Каспийского моря)
соответствует размыву и врезу Волги в гряду приподнятых известняков
карбона. Это поднятие с амплитудой до 500 м, захватившее известняки
и перекрывающие их юрские глины, произошло в самом конце третичного
периода.
Естественно также, что мощность отложений морей, затапливающих
при трансгрессии сильно изрезанные участки суши, будет наибольшей
в зонах депрессии погребенного рельефа. Таковы, например, отложения
третичных (кинельских) глин в долине р. Волги, отложившиеся в период
акчагыльской трансгрессии, в депрессиях древних долин бассейнов рек
Волги и Камы, затопленных водами этой трансгрессии. В ряде случаев
мощность толщи кинельских глин, выполняющих эти ныне погребенные
долины, превышает 100 м.
Далеко неравномерной оказывается и мощность эоловых лёссов. Ес-
тественно, что эта мощность оказывается наибольшей в депрессиях погре-
бенного рельефа, куда атмосферная пыль сдувалась ветрами и где она
хорошо задерживалась. Имеются данные, что в некоторых районах Китая
в подобных условиях мощность толщи лёсса достигает нескольких сотен
метров.
Сменяемость пластов. Для строителя далеко не безразлично, на каких
грунтах будет обосновываться его сооружение при соответствующем за-
глублении его фундамента. В этом отношении оказывается весьма сущест-
венной сменяемость пластов тех или иных пород в осадочной толще, ко-
торая прямым образом связывается с изменением условий накопления
осадков. В некоторых случаях изменение состава пород происходит пос-
тепенно. Так, например, пластичные глины, все более опесчаниваясь,
постепенно переходят в тонкозернистые пески. Постепенный переход не-
редко наблюдается при переходе от известковистых глин к мергелям. Та-
кой характер напластования свидетельствует о постепенном уменьшении
глубины бассейна или, точнее сказать, о постепенной его регрессии. В по-
добных случаях трудно провести четкую границу между пластами.
Гораздо чаще наблюдаются вполне отчетливые границы смены пластов.
43
Так, например, известняки сменяются глинистыми сланцами, которые
в свою очередь уступают место песчаникам и т. д.
Подобный характер строения толщи свидетельствует о достаточно рез-
ком изменении условий накопления отложений, которые более или менее
длительное время были относительно постоянными. Появление, например,
в толще песчаных аллювиальных отложений прослоев галечников свиде-
тельствует о повышении скоростей потока в связи с увеличением его рас-
хода по климатическим причинам.
Мы привели выше пример структуры угленосной толщи Донбасса.
В этой толще, сложенной глинистыми и песчано-глинистыми породами и
отчасти известняками, прослежено до 200 угольных пластов с мощностью
каждого не выше 1—2 м. Образование угольных пластов связывается с
накоплением и погребением под покровом последующих отложений расти-
тельных остатков произраставших здесь лесов в каменноугольный период.
Состав и характер отложений указывают, что их формирование шло частью
в условиях низменной заболоченной суши, частью в мелком море, которое
временами затопляло сушу. Такая последовательность отложений показы-
вает, что море в отдаленное от нас на 200 млн. лет время наступало здесь
на берег и затем снова отступало не менее 120—150 раз. Следовательно,,
столько же раз за рассматриваемый период происходило погружение суши
под уровень моря и новое ее поднятие.
Следует отметить, что в общем случае сменяемость в толще морских
отложений известняков какими-либо другими породами может быть свя-
зана не только с изменением глубины моря и положения береговой линии..
Здесь может иметь существенное значение и изменение солевого и темпера-
турного режима водного бассейна как биологический среды. И, наконец,
во многих случаях может иметь место положение, когда породы морской
фации окажутся перекрытыми отложениями континентальной фации, на-
пример ледниковыми или эоловыми отложениями. Это свидетельствует
уже о коренном изменении условий накопления осадков, связанных с
выходом участков суши из-под уровня моря на долгие геологические сро-
ки, т. е. с переходом жизни Земли в новую, фазу.
Формы ненарушенного залегания. Одной из задач инженерно-геологи-
ческого обследования строительных площадок является выявление геоло-
гического строения толщи и условий залегания слагающих ее пластов-
пород.
Различают две основные формы залегания пород: а) ненарушенную и
и б) нарушенную.
Нарушенное залегание пород отвечает районам, подвергавшимся в гео-
логическом прошлом тектоническому воздействию и в силу этого претер-
певшим ту или иную деформацию. Вместе с тем ненарушенное залегание
горных пород и грунтов отвечает природным условиям их образования.
Основные формы ненарушенного залегания показаны на рис. 5-1. Рис. 5-1, а
44
иллюстрирует, однородное (монолитное) строение толщи основания,
конечно, в пределах некоторой глубины, диктуемой размерами сооружения.
Вместе с тем, безотносительно к размерам сооружений, такие условия наи-
более часто возникают в обстановке их возведения на мощных массивах
магматических пород, подобных гранитам, диоритам и т. д.
Однако значительно чаще сооружения возводят на толще осадочных
пород, характеризуемой сменяемостью пород по глубине. При этом усло-
вии толща приобретает плас-
товый характер (рис. 5-1, б).
В зависимости от условий
накопления осадка эти плас-
ты, естественно, имеют раз-
личную мощность и могут
быть. представлены самыми
разнообразными породами
как достаточно прочными
(известняки, песчаники и
т. д.), так и слабыми, мало-
устойчивыми (пластичные
глины, торф, плывуны ит. д.).
Во всех таких случаях
может возникнуть вопрос о
допустимости той или иной 8) г)
нагрузки на грунты или об Рис. 5-1. Формы ненарушенного залегания гор-
ожидаемой осадке сооруже-
ния за счет их обжатия или .
уплотнения. Совершенно
ных пород:
а — однородное (монолитное) строение толщи; б — пласто-
вый характер толщи; в — выклинивание пласта; г — лин-
зообразное залегание
особняком в этих же усло-
виях может стать вопрос об устойчивости на сдвиг сооружений, воспри-
нимающих горизонтальную нагрузку от давления земли (подпорные стен-
ки) или воды (плотины). При наличии в толще пластов с повышенной во-
допроницаемостью (например, галечников) могут возникнуть значитель-
ные трудности при осушении котлованов, например, под мостовые опоры.
Нередко пласты, слагающие толщу, имеют ограниченную протяженность
и, выклиниваясь, сменяют друг друга в разрезе и плане (рис. 5-1, в). В дру-
гих случаях некоторая инородная для данной толщи порода залегает-в
ней в виде линзы (рис. 5-1, г). Эти линзы в одних случаях могут быть пред-
ставлены слабыми породами, например торфом, в других — породами с
высокой водопроницаемостью, как, например, галечники.
В этих условиях сооружение может оказаться обоснованным по своей
длине на породах, как мы говорим, с различной несущей способностью —
то на более прочных, то на более слабых, отличающихся повышенной сжи-
маемостью. При такой обстановке сооружение неизбежно будет деформи-
45
роваться, некоторые его элементы могут оказаться перенапряженными
я потерять свою прочность.
Основные формы дислокации. Под термином дислокация* подразуме-
вают всякого рода нарушения нормальных первоначальных форм залега-
ния пород, явившихся следствием обстановки осадконакопления.
Для осадочных пород в условиях ненарушенного залегания характер-
но согласное горизонтальное или почти горизонтальное напластование.
Такая форма напластования характерна в основном лишь для молодых
7/tW
б)
’Рис. 5-2. Пликативные формы дис-
локации:
а — схема антиклинали; б — схема синкли-
нали; 1 — известняки; 2 — алевролиты; 3 —
диорит-порфириты; 4—песчаники; 5 — кон-
гломераты; 6—угольные пласты
осадков и толщ осадочных отложений
на жестких платформах.
При деформации земной коры возни-
кают нарушенные формы залегания гор-
ных пород, обязанные воздействию на
нее в тех или иных условиях текто-
нических процессов и явлений.
Такого рода перемещения земной
коры, приводящие к ее деформации
и изменению строения, называются тек-
тоническими движениями. Различают
два основных вида тектонического дви-
жения: радиальные перемещения и тан-
генциальные перемещения.
Радиальные перемеще-
ния — это поднятия или опускания
(погружения) отдельных участков зем-
ной коры.
Опускания и подъемы платформ во
времени взаимно чередуются и проте-
кают обычно весьма медленно. Это об-
стоятельство позволяет движение уча-
стков земной коры именовать также
колебательными движениями или веко-
выми колебаниями.
Тангенциальные перемещения в отличие от радиаль-
ных связываются в первую очередь с горизонтальным движением участ-
ков земной коры (по касательной к поверхности земного шара). Эти пере-
мещения обычно связываются с растяжением земной коры или ее сжатием.
В первом случае имеют место разрывы земной коры (разрывные движения), ’
во втором — ее смятие.
Смятие земной коры ведет к складкообразованию и возникновению в
земной коре складчатых горных систем. Различаются две основные формы
„дислокации:
* От латинского disloco — смещаю.
46
wl) пликативная* (склад-
чатые нарушения);
2) дизъюнктивная** (раз-
рывная).
Наиболее яркой формой
пликативной дислокации яв-
ляются разнообразные склад-
ки.
К дизъюнктивным дисло-
кациям относятся смещения
толщ горных пород, связан-
ные с нарушением их сплош-
ности в виде сколов,сдвигов,
разрывов и т. д.
В складчатой системе
различаются ее выпуклая
часть — антиклиналь и вог-
нутая — синклиналь (рис.
5-2, 5-3, 5-4). Таким обра-
зом, складка представляет
собой чередование антикли-
нальных и синклинальных ее
форм.
В отличие от синклинали
в ядре антиклинали находят-
ся более древние пласты.
Пласты в антиклинали па
дают от ядра в противопо-
ложные стороны, в то время
как в синклинали они пада-
Рис. 5-3. Антиклинальная складка в мергелях:
ют навстречу Друг другу. Рис. '5-4. Ядро синклинальной складки в песча-
Отметим, что большинство никах триаса
горных систем Земли своим
происхождением обязано
процессам складкообразования и последующему поднятию горных сис-
тем. Таковы Кавказский хребет, Урал, Альпы, Кордильеры, Анды и
т. д. В 1948 — 1949 гг. советскими полярными исследователями открыт
и в последующем обследован мощный подводный хребет высотой 2,5 —
3,0 км, пересекающий Северный Ледовитый океан в направлении от
Новосибирских островов к Гренландии, а также ряд других поднятий
* От латинского plico — складываю.
** От латинского disjungo — разъединяю.
4Т
дна, разделяющих океан на несколько глубоководных впадин. Этому под-
водному хребту, представляющему собой мощное складчатое сооружение,
присвоено имя М. В. Ломоносова.
Складчатые горы системы возникали и возникают в первую очередь в
пределах ослабленных зон земной коры (геосинклиналей).
Очень часто в результате проявления процессов денудации поверх-
ностные горизонты и часть складок в складчатом сооружении оказываются
Рис. 5-5.’ Надвиг:
>1 — известняки; 2 — глины; 3 — песчаники; 4 — песок; 5 -
тектоническая брекчия
Рис. 5-6. Схема косого сброса
разрушенными. В этом случае первичная форма складчатого сооружения
может быть восстановлена лишь мысленно. Очевидно, что при данных об"
стоятельствах на дневную поверхность могут быть выведены пласты пород
из более глубоких горизонтов (см. рис. 5-2).
При дальнейшем развитии тектонических процессов в пределах образо-
вавшегося складчатого сооружения часто возникают дизъюнктивные (раз-
рывные) формы дислокаций, находящие свое выражение в виде разломов,
сколов, разрывов, надвигов (рис. 5-5) и т. д. Образующиеся при подоб-
ного рода смещениях продукты разрушения породы называются текто-
нической брекчией.
При превалирующем смещении толщ горных пород в вертикальней
плоскости в складчатом сооружении возникают так называемые сбросы
(рис. 5-6). Сброс представляет собой разрывное нарушение, сопровождаю-
щееся относительным перемещением масс горных пород по крутопадающим
поверхностям разрыва в направлении, близком к вертикальному. В чистом
виде сброс является наиболее характерной формой радиальной дислокации.
•Сброс связывается с обособленным взаимным перемещением смежных участ-
ков земной коры. При сбросах мы встречаемся с высотным изменением
положения тех или иных пластов.
48
Сочетание нескольких сбросов образует ступенчатый сброс (горст и
грабеж) как соответственно приподнятый и опущенный участки земной
коры, ограниченные сбросами. При значительном опускании грабен при-
обретает вид провала. В каче-
стве примера грандиозного про-
вала может служить озеро Бай-
кал с максимальной глубиной
1741 м.
Нередко между двумя раз-
личными по геологической
структуре областями имеют ме-
Рис. 5-7. Согласное (а и б) и несоглас-
ное (в) залегание:
а — осадки отложены горизонтально; б — те же
осадки нарушены и собраны в складки, затем часть
их была смыта; в — размыв дошел до плоскости
т — п, а затем отложилась горизонтально новая
серия осадков
Рис. 5-8. Несогласное налегание свиты
осадочных пород на дислоцированную
толщу метаморфических пород
сто крупные разрывные нару-
шения земной коры — разломы,
уходящие на большую глубину
и прослеживающиеся на многие
сотни километров. На поверх-
ности Земли разломы имеют
вид мощных, значительных по
длине трещин, именуемых лини-
ями разломов, часто завуалиро-
ванных последующими процес-
сами.
Нарушения, сопровождаю-
щие тектонические явления,
проявляются лишь на условиях
залегания тех пластов, которые
•образовались в эпохи, предше-
ствовавшие и сопутствовавшие
последним проявлениям в дан-
ном районе тектонических сил.
В районах прошлых интенсив-
ных тектонических движений
вполне возможно горизонталь-
ное напластование покровных
толщ грунта поверх пород, в
той или иной степени дислоцированных. В этом случае мы будем на-
блюдать несогласное залегание пород (рис. 5-7 и 5-8). Возможные формы
-согласного и несогласного залегания иллюстрируются на рис. 5-9.
Условия и формы нарушенного залегания. Наиболее прочные и устой-
чивые древние породы как отложения предшествующих геологических
эпох в качестве основных сооружений представляют интерес только в том
случае, когда они залегают на относительно небольшой глубине от поверх-
ности земли. Иногда близость этих древних пластов к поверхности связа-
49
на с тем, что они «вскрыты», т. е. освобождены от перекрывающих более
молодых толщ горных пород в результате проявления процесса денудации
и в первую очередь в результате размыва текучими водами (эрозия). Более
древние отложения могут быть встречены главным образом в дислоциро-
Рис. 5-9. Пример залегания горных пород:
согласное залегание известняков поверх ильменских глин и песков и несогласное налегание ме-
ловых отложений на юрские
Рис. 5-10. Блок диаграммы, пока-
зывающий зависимость условий вы-
хода пластов на поверхность от
формы их залегания и рельефа в
долине:
а — пласт падает обратно склону; б—пласт
падает в сторону склона, круче его; в —
пласт падает в сторону склона, положе его;
г — пласт падает в сторону склона под тем
же углом
ванных районах, а также на участках^
подвергшихся сравнительно глубокому
расчленению в результате эрозии, и в
первую очередь в долинах рек.
При горизонтальном или почти го-
ризонтальном залегании пластов на
некоторой глубине от поверхности и при
условии ненарушенности толщи текто-
ническими процессами выходы этих
пластов будут приурочиваться к пони-
жениям рельефа местности и характе-
ризоваться почти одним и тем же вы-
сотным положением. Вместе с тем вы-
сотное положение пластов в дислоци-
рованном районе будет определяться не только характером рельефа мест-
ности, но и особыми условиями залегания пород (рис. 5-10).
Условия нарушенного залегания пласта характеризуются его падением
и простиранием, (рис. 5-11).
Под падением пласта понимают направление и величину угла наклона
50
пласта. Угол, образуемый при этом наклонной плоскостью пласта с гори-
зонтов, называется углом падения. Различают пласты крутопадающие
(с углом падения от 45 до 90°, рис. 5-12) и пологопадающие — с более
острыми углами падения.
Под азимутом падения понимают направление падения пласта, выра-
женное в виде азимута линии падения. Пересечение горизонтальной
плоскости с поверхностью
падающего пласта носит на-
звание линии простирания.
Линии падения и простира-
ния всегда взаимно перпен-
дикулярны.
При сбросе происходит
лишь более или менее верти-
кальное перемещение плас-
тов, слагающих некоторую
толщу, без нарушения
их первоначальных условий
залегания. В силу этого при
сбросе в обоих его крыльях
(приподнятом и опущенном)
Рис. 5-11. Элементы залегания пласта
неизбежно расположение определенного пласта («маркирующий гори-
зонт») или свиты пластов на различных отметках.
В отличие от сбросов складчатая форма дислокации характеризуется,
как правило, наклонным залеганием пластов. В некоторых случаях склад-
чатая форма едва намечается, и здесь мы сталкиваемся лишь с очень сла-
бым нарушением и пологим падением пластов.
Рис. 5-12. Крутопадающие пласты третичных пород на р. Вахш (фото
Л. А. Молокова)
51
Рис. 5-13. Размытая складка. Выход верхне-
юрских известняков на поверхность (Крым)
В других случаях складчатая форма проявляется в столь интенсивной
форме, что залегание горных пород резко нарушается и мы нередко встре-
чаемся, в особенности в центральных зонах таких складок (в их ядрах),
с очень крутым падением пластов. В таких случаях говорят, что пласты
поставлены на голову.
Нередко в результате проявления эрозии и абразии складчатое соору-
жение может оказаться разрушенным и частью смытым. В этих условиях,
будет иметь место выход на
поверхность разнообразных
пластов, слагающих склад-
ку, различных по своему ха-
рактеру, а также по возрас-
ту (рис. 5-13).
При крутом падении плас-
тов сооружение может ока-
заться расположенным в
своих разных частях на раз-
личных породах. Такое поло-
жение может создать слож-
ные условия работы соору-
жения в связи с возможной
неравномерной сжимаемостью
этих пластов и деформацией
самого сооружения, которая
в данном случае может явиться следствием неравномерной осадки в раз-
личных его частях. С другой стороны, в складчатых сооружениях породы
нередко в той или иной мере оказываются метаморфизованы и обладают
повышенной плотностью и прочностью, что ведет к уменьшению отмечен-
ных выше неблагоприятных условий.
\ ' ГЛАВА
ТРЕЩИНОВАТОСТЬ ГОРНЫХ ПОРОД И УСЛОВИЯ
ЕЕ ПРОЯВЛЕНИЯ
Значение трещин. Роль трещиноватости пород является весьма важ-
ной в самых разнообразных отраслях нашего строительства. Большинство
скалистых пород в монолите являются практически водонепроницаемыми,
но при наличии сети трещин их толща теряет свою монолитность и приобре-
тает повышенную водопроницаемость. Это обстоятельство часто вызывает
значительные трудности при осушении котлованов, проходке тоннелей
и других подобных, работах. Особое значение в этом же плане приобретает
вопрос о возможности потерь больших количеств воды за счет фильтрации1
52
из искусственных водоемов, водохранилищ в обход и через основание1
напорных сооружений (плотин), а также через откосы и дно водоподво-
дящих каналов. Очень часто трещины в толще известняков и гипсов ведут
к прогрессивному их развитию за счет выщелачивания этих пород водой'
с образованием в толще пород каверн, пустот, провальных воронок и даже
пещер (карстоеые формы). С другой стороны, что является не менее важ-
ным, расчленение толщи пород трещинами на отдельные блоки ведет к
снижению их общей устойчивости, а также к снижению прочности и устой-
чивости возводимых в этих условиях сооружений. Особое значение этот
вопрос приобретает при разработке проектов арочных мостов и арочных
плотин, передающих нередко через свои пяты на берега значительные силы
распора. При недостаточной устойчивости скальных массивов, расчленен-
ных трещинами, в этих случаях всегда возникает опасность развития обва-
лов и оползней, которые могут привести к катастрофическим последст-
виям с человеческими жертвами. Подобные же обвалы и оползни на дорогах,
могут повлечь за собой перерыв в движении и нередко на долгие сроки,
если ими захватывается в горных областях дорожное полотно. При проходке
тоннелей и всякого рода подземных выработок и сооружений в рассматри-
ваемых условиях всегда имеется опасность вывалов, нередко связанных
с человеческими жертвами. Особенно сложные условия при этом возникают
при значительном развитии трещин по длине (линии тектонических разло-
мов) и при выполнении их глинистыми материалами как продуктом вы-
ветривания пород.
При значительной трещиноватости толщи возникает необходимость
использования разнообразных, часто сложных мероприятий для обеспече-
ния нормальных условий возводящихся сооружений и для охраны труда
строителей. В особых случаях возникает необходимость в переносе трасс
каналов и тоннелей, створов мостовых переходов и плотин на месте с бо-
лее благоприятными инженерно-геологическими условиями или даже с
переходом к другим типам сооружений, предъявляющим в данном отноше-
нии менее строгие требования.
Общая характеристика трещиноватости толщи. Практически любая:
толща, сложенная жесткими скалистыми породами или твердыми глинами,
поражается трещинами, которые приводят к ослаблению массива горных
пород и к облегчению условий его обводнения.
Трещины весьма разнообразны по своему происхождению (генезису),,
характеру, протяженности, размерам и раскрытию.
В подавляющем большинстве случаев трещины в массиве горных пород,
образуют некоторую, иногда весьма сложную систему, не лишенную, одна-
ко, той или иной закономерности. Эта система сводится в конце концов
к тому, что толща или слагающие ее пласты оказываются расчлененными
на более или менее крупные блоки в свежем, невыветренном, состоянии
с острыми гранями. Обычно эти грани образуют между собой двухгран-
53)
ные углы, несколько отличающиеся от прямого, но близкого к нему (70 —
’90°). Очень часто одно из направлений трещин совпадает с поверхностями
напластования толщи (трещины напластования). Нередко такие трещины
совпадают с контактами пластов различных пород, слагающих собой толщу
(пластовые трещины). В подобных случаях две другие системы трещин
оказываются уже секущими пласты по их мощности (вкрест).
Таким образом, в горном массиве возникает сеть обычно сообщающихся
между собой трещин, обусловливающая трещиноватость толщи. Трещино-
ватость толщи обычно характеризуется трещинами ограниченного протя-
жения.
Тектонические явления приводят к мощным разломам земной коры,
вызывающим расчленение ее на отдельные глыбы, иногда громадных раз-
меров. Так возникают линии тектонических разломов, имеющие нередко
в длину десятки и сотни километров. Линии разломов особенно характерны
для сбросов. Вместе с тем в складчатых горных сооружениях нередко встре-
чаются сколы, связанные со смещением отдельных блоков, или, иначе,
пачек пород, в результате сдвига, надвигов и т. д.
Тектонические линии обычно сопровождаются обрамляющей их зоной
дробления пород, достигающей по ширине нередко десятков и более метров.
Зоны дробления обычно характеризуются исключительно сильным и весьма
•сложным по форме проявлением трещиноватости.
По степени своего раскрытия трещины в горных породах варьируют
в больших пределах: от волосных, часто не видимых невооруженным гла-
зом, до измеряемых десятками сантиметров и даже метрами.
По своему характеру трещины подразделяются на зияющие (свободные)
и выполненные теми или иными продуктами. В толще коренных пород
трещины нередко оказываются выполненными магматическими продуктами.
Так возникают жильные магматические образования (жилы изверженных
пород).
Часто, в особенности в толщах карбонатных пород (известняков, до-
ломитов), трещины бывают выполнены кальцитом. На участках с залежами
гипса и ангидрита трещины в покровных глинистых и мергелистых отло-
жениях бывают выполнены вторичным гипсом (селенит) как продуктом
отложения циркулирующих в толще подземных вод.
В зоне активного выветривания трещины часто бывают зияющими и пи
в’той или иной мере выполненными самими продуктами выветривания и
нередко глиной. Это обстоятельство в определенных случаях маскирует
трещины, что может привести к усложнению скальных работ при проходке
котлованов и тоннелей (вывалы, прорыв подземных вод). Как правило,
раскрытие таких трещин с глубиной затухает. На глубинах, измеряемых
десятками метров, трещины обычно принимают вид волосных.
Генетическая характеристика трещин. Сокращенная классификацион-
ная схема трещин по их генезису приводится в табл. 6. В соответствии
54
с этой схемой трещины в горных породах подразделяются на три класса:
I — трещины формирования (отдельности и усадочные); II — трещины
деформации; III-—трещины выветривания.
Трещины отдельности в магматических породах возникают в условиях
уменьшения объема магматических продуктов при остывании. В резуль-
тате массив изверженной породы оказывается разбитым на отдельные бло-
ки, характерные для данной породы и именуемые отдельностями. Для
Рис. 6-1. Матрацевидная отдель-
ность гранитов побережья Охот-
ского моря (фото О. Н. Кабакова)
гранитов, в частности, характерны ма-
трацевидная или параллелепипедальная.
отдельность (рис. 6-1); для бальзатов—
столбчатая (рис. 6-2).
Рис. 6-2. Столбчатая отдельность ба-
зальтов, Сихоте-Алинь (фото 3. П. Пота-
повой)
В толщах глинистых или карбонатных пород трещины отдельности
обычно связываются с усадкой в процессе формирования горных пород из
переувлажненных осадков (глинистых или известковых илов). Для из-
вестняков и часто для песчаников весьма характерны плитчатые отдель-
ности (рис. 6-3).
К трещинам деформации относятся все трещины, связанные по своему
происхождению с деформацией массива горных пород, т. е. с его изги-
бом, растяжением, сколом и т. д. Толща может оказаться деформирован-
ной как в результате тектонических явлений (тектонические трещины),
так и по другим причинам (псевдотектонические трещины).
Тектонические трещины особенно характерны для сильно дислоциро-
ванных участков (рис. 6-4). В других случаях они менее развиты и накла-
. 55
Таблица 6
Классификационная схема трещин в горных породах по их генезису
I — трещины формирования (отдельности и усадочные) II — трещины деформации Ш — трещины выветривания
остывания усадки тектоничес- кие псевдотекто- ническ ие физического химического биологи- ческого
Трещины первичной отдельности в магматиче- ских породах Трещины первичной отдельности в глинистых и карбонат- ных породах (известняки и доломиты) а) Трещи- ны разлома б) Трещи- ны растя- жения в складчатых сооружени- ях в) Трещи- ны раздроб- ления г) Трещи- ны скола д) Сейсмо- трещины а) Трещи- ны отпора в бортах долин б) Трещи- ны ополза- ния в) Трещи- ны просадки г) Трещи- ны пучения д) Трещи- ны увлече- ния а) Трещи- ны усыха- ния б) Темпе- ратурные трещины (сокраще- ния и рас- ширения) а) Трещи- ны разло- жения б) Трещи- ны выщела- чивания а) Тре- щины бактери- ального разложе- ния б) Кор- невые трещины в) Тре- щины раскачи- вания
Рис. 6-3. Плитчатая отдельность девонских
песчаников, Восточная Сибирь (фото М. С.
Нагибиной)
Рис. 6-4. Трещины разлома в
известняках, Восточная Сибирь
(фото Н. С. Зайцева)
56
дываются, например, на систему трещин напластования. Трещины борто-
вого отпора часто возникают в крутых бортах долин и в особенности
при их сложении жесткими породами; их природа связывается с раз-
грузкой толщи за счет образования долин и перенапряжением породы в их
бортах.
К псевдотектоническим должны быть отнесены также трещины, возни-
кающие на'оползневых склонах (трещины оползания). Их часто называют
школами». Характер таких трещин показан на рис. 6-5.
Трещины просадки могут возникнуть при локальном опускании по-
кровной толщи, при провалах в карстовых районах, проседаниях в зонах
искусственных выработок или при
вытаивании погребенного камен-
ного льда, а также при просадках
лёссовой толщи, например, по бор-
там каналов и т. д.
Трещины пучения характерны
для районов, связанных с глу-
бинной гидратацией ангидритов с
переходом их в поверхностной зоне
в гипс («гипсовая шапка»). Отме-
тим, что переход ангидрита в гипс
связан с увеличением объема до
Рис. 6-5. Трещины на поверхности
оползающего массива
60%. Такие же трещины могут воз-
никнуть в районе вечной мерзлоты
при ледонасыщении толщи в связи
с ее промораживанием.
Трещины увлечения могут возникнутьгв подстилающей толще при сдви-
ге ее перекрывающей. Такие условия более или менее известны для покров-
ных толщ в зонах прошлого оледенения (увлечения ледником).
Трещины выветривания представляют собой дальнейшее развитие тре-
щин, возникших ранее по другим причинам. Развитие этих трещин идет-
под воздействием разнообразных процессов выветривания как физических
и химических, так и биологических.
Процессы физического выветривания, как это уже отмечалось ранее,
связаны в первую очередь с температурными явлениями (трещины сокра-
щения, или остывания, и трещины расширения — за счет расширения воды
в трещинах при замерзании ее). К этой же группе должны быть отнесены
трещины усыхания, возникающие при интенсивном высыхании ранее обвод-
ненной толщи, преимущественно глинистых пород. С такими явлениями
мы, в частности, нередко встречаемся в котлованах на поверхностях, под-
верженных интенсивному воздействию солнца.
Дальнейшему развитию трещин способствуют различные химические
и биологические процессы.
57'
К той же группе трещин выветривания относятся трещины, возникаю-
щие в связи с давлением корней растущих растений (корневые трещины),
а также в связи с раскачиванием деревьев ветром (трещины раскачива-
ния) .
Изучение трещиноватости горных пород. В зависимости от масштаба,
.назначения и типа проектируемого сооружения изучение трещиноватости
горных пород может вестись как в региональном масштабе (в пределах
некоторого района), так и непосредственно на строительной площадке.
Региональное исследование преследует в данном случае выявление тектони-
ческих линий, разломов, сбросов, сдвигов, а также соответствующих им зон
дробления. Этот анализ базируется на раскрытии общей геологической
•структуры района с выявлением всех нарушений естественной (стратигра-
фической) последовательности напластований. Выявление геологической
структуры района производится на основе геологической съемки с изучением
и детальным описанием пород и условий их залегания во всех обнажениях
коренных пород. В необходимых случаях производится расчистка со сня-
тием покровной толщи. Изучение трещиноватости пород непосредственно
на строительной площадке полнее всего может быть выполнено при вскры-
тии толщи открытыми выработками (расчистки, траншеи, шурфы,
штольни, шахты). При этих исследованиях оценивается характер самих
трещин, материал заполнителя, ориентации трещин, глубина и мощность
.зоны активного выветривания и, наконец, характер затухания трещин
по глубине и их водоносность.
Для изучения степени трещиноватости толщи in situ*, т. е. в естест-
венных условиях залегания пород, используются также различные геофи-
зические методы и с наибольшим успехом сейсмический метод — с изуче-
нием условий и скорости прохождения в толще взрывных волн, возбуждае-
мых искусственными взрывами. Для изучения трещиноватости толщи в
•скважинах используются различные зеркальные приборы, опускаемые
в скважины, в том числе буроскоп Викторова. В этом же смысле существен-
ную помощь может оказать фотосъемка, конечно, при отсутствии в скважи-
нах воды. Хорошее представление о трещиноватости толщи скалистых пород
может быть получено по данным изучения водоносности или водопрони-
цаемости толщи путем соответственно откачек или нагнетания воды из
скважин или в скважины.
В месте нахождения (лат.)
ЧАСТЬ III
ФИЗИЧЕСКИЕ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕ-
РИСТИКИ .ГОРНЫХ ПОРОД И ГРУНТОВ
ГЛАВА 7
ПОКАЗАТЕЛИ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ СОСТАВ И СОСТОЯНИЕ.
ГОРНЫХ ПОРОД И ГРУНТОВ. МЕТОДЫ ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Показатели I и II класса. В строительной практике мы в той или иной
форме сталкиваемся с понятием о горных породах и грунтах. Как горные
породы, так и грунты представляют собой агрегаты различных минералов
или обломков других горных пород.
Различие между горными породами и грунтами чисто качественное*
К грунтам мы относим менее связные и в силу этого менее прочные горные
породы. Это обеспечивает возможность разрабатывать грунты простейшими
инструментами, например лопатами и заступами. В отличие от грунтов
горные породы для своей разработки требуют более тяжелых инструментов —
ломов, кирок, клиньев и т. д., а часто применения взрывчатых веществ.
Таким образом, к грунтам должны быть отнесены в первую очередь
различные пески, гравий, галечники и самые разнообразные представители
группы глинистых пород, в том числе суглинки и супеси различного про-
исхождения. К грунтам должны быть отнесены также торф и илистые'
отложения.
Наиболее характерными представителями группы горных пород со
строительной точки зрения являются разнообразные скалистые породы,
например граниты, известняки, песчаники, мел и т. д.
Показатели, характеризующие собой в численном выражении инженер-
но-геологические свойства горных пород и грунтов, могут быть разбиты
на два класса.
К / классу мы относим показатели, которые дают прямой ответ при
характеристике того или иного свойства грунта и могут быть непосредст-
венно использованными при выполнении расчетов. В отличие от показате-
лей I класса показатели II класса дают лишь общую характеристику по-
воды по ее составу и состоянию. Как правило, показатели II класса непо-
средственно в расчетах не используются. Показатели I класса называются'
физико-механическими, показатели II класса — физическими характерис-
тиками горных пород.
К числу показателей I класса должны быть отнесены показатели, пря-
мым образом характеризующие прочность горных пород и грунтов, в том
числе сопротивляемость их сдвигу и деформируемость, вязкость, водопро-
ницаемость, объемный вес и т. д.
59*
В курсе «Механика грунтов» выдвигается ряд подобных показателей,
характеризующих механические свойства горных пород и грунтов.
Показатели I класса должны характеризовать природные свойства
грунтов и поэтому они подлежат определению на основе изучения лишь
образцов с ненарушенной структурой, т. е. монолитов, взятых из шурфов,
шахт, штолен и из скважин с извлечением их в необходимых случаях
из толщи специальными приборами — грунтоносами. Определение показа-
телей I класса в большинстве случаев требует проведения более или менее
сложных экспериментов с применением специальной аппаратуры и неред-
ко требует значительного времени. Вместе с тем в полевых условиях при
изысканиях часто возникает необходимость хотя бы ориентировочно оце-
нить свойства пород наиболее простыми методами, по возможности по об-
разцам, получаемым в результате обычно используемого при геологической
разведке удар но-вращательно го бурения. Такие образцы нередко пред-
ставляют собой небольшие обломки более твердых пород; в других доста-
точно частых случаях они носят на себе явные следы нарушения структу-
ры породы.
> Как показывает практика, такие образцы с нарушенной структурой,
как правило, совершенно непригодны для определения показателей I клас-
са, но по ним можно устанавливать характеристики II класса. Имея
несколько выработок I класса с возможностью отбора из них образцов
с ненарушенной структурой — монолитов и достаточное количество обыч-
ных скважин (выработки II класса), можно, опираясь на показатели
II класса, распространить территориально показатели I класса в более
широких пределах.
Как в этом плане, так и для всякого рода сопоставлений, в особенности
в пределах одного и того же участка или в пределах одной и той же геоло-
гической формации, относительное значение показателей II класса очень
велико.
Показатели состава и состояния грунтов. Инженерно-геологические
свойства тех или иных пород определяются их составом, состоянием и
структурными особенностями. Многие свойства горных пород и грунтов,
естественно, зависят от их состава. Говоря, например, о глинах, мы раз-
личаем: более жирные или более тощие, песчанистые, глины с целой гам-
мой промежуточных разновидностей. Однако одна эта характеристика
явно недостаточна даже для приближенной оценки свойств глин. Из опыта
известно, например, что прочность глинистых грунтов в сухом состоянии
значительно более высокая, чем при избыточном ее увлажнении. Отсюда
возникает необходимость оценки влажности породы. Влажность породы
в данном случае будет свидетельствовать об ее состоянии.
Главнейшими из показателей II класса (физические характеристики)
являются:
<60
По состав у:
1. Петрографический, минералогический и химический состав пород.
2. Гранулометрический состав породы d.
3. Удельный вес у0.
4. Показатели пластичности породы:
а) предел текучести (граница текучести) LL;
б) предел пластичности (граница раскатывания) PL'
в) число пластичности PL
По состоянию:
1. Влажность породы w.
2. Показатели плотности породы:
а) пористость п;
б) коэффициент пористости е.
3. Показатель консистенции глинистых пород В.
О степени плотности породы можно судить также по ее объемному весу
'(показатель I класса^), не забывая, однако, что объемный вес породы
определяется не только ее плотностью, но также влажностью и удельным
весом слагающих породу элементов.
Еще в тридцатых годах автором было выдвинуто положение о непре-
рывной изменяемости породы, даже в пределах строго выделенного го-
ризонта, по составу, состоянию и, следовательно, по свойствам («от точки
к точке»). Указанное обстоятельство особенно отчетливо выражается на
«графиках рассеяния» Маслова (рис. 7-1).
График данного вида может быть использован для обработки любых
характеристик грунтов. Абсцисса на графиках отсутствует. Ширина каж-
дого из графиков определяется удобством их вычерчивания и нагляд-
ностью. График дает возможность легко видеть и количество выполненных
определений, и их качество («отскоки»), степень неоднородности породы
(по разбросу опытных точек), сопоставлять данные различных лаборато-
рий по некоторому объекту и устанавливать «представительность» достав-
ленных в лабораторию образцов с ненарущенной структурой — моноли-
тов по отношению к некоторому пласту породы в целом.
Такой метод обработки результатов лабораторных исследований удоб-
ней, компактней и наглядней, чем таблицы. Особенно наглядным он ста-
новится тогда, когда графики рассеяния по различным показателям груп-
пируются в одном общем графике. Этот метод построения графиков рас-
сеяния с особым успехом может быть использован при необходимости
сопоставления по показателям II класса грунтов с двух различных строи-
тельных площадок (рис. 7-2).
Таким образом оказывается, что те или иные показатели грунтов могут
характеризовать породу не по данным единичных опытов, а в виде некото-
рой опытной совокупности их значений.
61
Несмотря на видимую хаотичность изменяемости этих показателей
для одной и той же породы «от точки к точке», они в своем распределении
подчиняются определенной закономерности. Эта закономерность опреде-
ляется законами теории вероятности и, в частности, в большинстве случаев.
Рис. 7-1. Пример построения «графи-
ка рассеяния». Коэффициент пористо-
сти г ленточных глин (по данным
Л. В. Иванова)
одного из главнейших факторов,
строительной точки зрения.
Отсюда становится очевидной
отвечает закону нормального рас-
пределения Гаусса. Практика пока-
зала, что отклонение показателей для
грунтов от этого закона является от-
нюдь не большим, чем, например?
отклонение показателей прочности
построечного бетона на сжатие.
Выше отмечалась допустимость
определения показателей II класса
по образцам с нарушенной структу-
рой. Однако очевидно, что наиболее
близкие к действительности резуль-
таты будут получены по этим пока-
зателям при использовании для
опытных определений образцов, отоб-
ранных из монолитов.
Существенную помощь в изуче-
нии состава, состояния и свойств
грунтов, а также условий их зале-
гания может оказать выявление при-
родных закономерностей, определяю-
щих собой эти характеристики.
Оказывается, что горные породы,
одинаковые по своему происхождению
т. е. образовавшиеся в однородных
условиях и претерпевшие одинаковые
последующие видоизменения, должны
характеризоваться также одними и
теми же инженерно-геологическими
свойствами и показателями*. Это
положение в равной степени остает-
ся справедливым и в отношении ус-
ловий залегания горных пород, как
определяющих ценность площадки со
та огромная
помощь, которую может оказать при инженерно-геологическом обследо-
вании строительной площадки наличие ясного представления об условиях
* Н. Н. Маслов. Инженерная геология. Стройиздат, 1941.
62
.образования пород, слагающих основание, и об обстоятельствах всех пос-
ледующих изменений, которые породы могли претерпевать в течение сво-
ей долгой жизни.
В этом и заключается прямая связь геологических знаний с запросами
строительства.
Характерные значения ^ -- Плоихадка А
показателей по медиане * йлощаика 6
Рис. 7-2. График Маслова. Сопоставление разностей морских песчано-илистых
отложений на различных участках строительства по совокупности определений
показателей (по данным Д. В. Шнитникова)
Гранулометрический состав грунта d. Определение гранулометриче-
ского состава грунта заключается в установлении процентного содержания
в породе (по весу) фракций (частиц) того или иного размера. Наиболее
простым определением гранулометрического состава было бы просеивание
грунта через набор стандартных сит, как это делается, например, при изу-
чении состава песка как строительного материала. Однако такое опреде-
63
ление имеет свой предел в величине минимального размера фракций из-за
предельной тонкости ситовой ткани (обычно 0,1 мм) и из-за трудности
разделения в сухом виде агрегатов тонких фракций на отдельные зерна.
Вследствие этого полный анализ тонкозернистого грунта распадается на
две отдельные операции.
а) определение процентного содержания в породе зерен с размером
частиц свыше 0,1 мм рассеиванием на стандартном наборе сит;
б) определение процентного содержания в породе частиц с размером
зерен менее 0,1 мм путем измерения скорости осаждения частиц грунта
в воде.
Первая из описанных операций не встречает никаких принципиальных
трудностей. Ко второй операции грунт должен быть прежде всего подго-
товлен промывкой, длительным кипячением и растиранием в воде для разъе-
динения мелких слипшихся частиц. Эта операция носит название диспер-
гирования] водная среда, в которой взвешены глинистые частицы, называ-
ется дисперсионной средой, а сами твердые частицы, взмученные в воде,
видимые и не видимые простым глазом, — суспензией. Иногда для лучшего
диспергирования грунта приходится подбавлять к суспензированному
раствору некоторое количество аммиака (нашатырного спирта).
Скорость выпадения из водного раствора частиц зависит от размеров
и формы зерен, от их удельного веса и вязкости воды, определяемой в свою
очередь ее чистотой и температурой. Из существующих методов ареометры -
ческий метод гранулометрического анализа грунтов является наиболее
простым и поэтому, несмотря на присущие ему недостатки, широко вхо-
дит в лабораторную практику, так как гранулометрический состав;
грунта является показателем, имеющим лишь сравнительное значение.
Принцип ареометрического метода основан на измерении специальным
ареометром изменяющейся во времени по мере выпадения из воды взве-
шенных частиц грунта плотности суспензированного раствора, в котором
на 1000 смг содержится 30—40 г грунта. Пересчет показаний ареометра
с учетом необходимых поправок на процентное содержание в грунте фрак-
ций того или иного размера производится по специальной номограмме.
Необходимо, однако, отметить, что каждый ареометр должен быть предва-
рительно протарирован.
Анализы грунтов по методам Сабанина и Робинзона, основанные на
отборе из водного раствора через известные промежутки времени проб
с последующим определением сухого остатка путем выпаривания проб и
взвешивания весьма длительны, трудоемки и требуют большого количества
дистиллированной воды.
Для удобства пользования результаты гранулометрического анализа
грунта изображаются графически на полулогарифмической шкале, как
показано на рис. 7-3. Каждая точка на кривой показывает, сколько (в
процентах по весу) содержится в исследуемом грунте частиц диаметром
64
меньше данного. Величина отношения диаметров, соответствующих 60
и 10% содержанию фракций, по предложению Хазена, называется коэффи-
циентом неоднородности.
Обозначая его через &н, можно написать
и-1)
«10
Диаметр diQ называется действующим, или эффективным, диаметром.
В зависимости от размера частиц различают следуют,ие гранулометри-
ческие элементы (табл. 7).
Таблица 7
Классификация гранулометрических элементов
Группа фракции Фракции
Название Размер частиц Название Размер . частиц
Валуны (окатанные) Более Крупные Более 80 см
и камни угловатые 20 см Средние Мелкие 80—40 » 40—20 »
Булыжник, галька (окатанные) и щебень (угловатый) 20—4 см Булыжник и крупный щебень Крупная галька и ще- бень Мелкая галька и мел- кий щебень 20—10 см 10—6 » 6—4 »
Гравий (окатанный) и хрящ (угловатый) 40—2 мм Крупные Средние Мелкие Очень мелкие 40—20 мм 20—10 » 10—4 » 4—2 »
Песок 2—0,05 мм Грубый Крупный Средний Мелкий Тонкий 2— 1 мм 1—0,5 » 0,5—0,25 » 0,25—0,1 » 0,1—0,05 »
Пыль 0,05—0,005 мм Крупная (грубая) Мелкая (тонкая) 0,05—0,01 мм 0,01—0,005 »
Глина Менее 0,005мм Глинистые <0,005 мм
Согласно действующим строительным нормам и правилам (СНиП П-Б.
1-62) по гранулометрическому анализу классифицируются лишь крупно-
обломочные и песчаные грунты (табл. 8).
Глинистые грунты согласно тем же нормам классифицируются по числу
пластичности (см. стр. 75). Однако помимо этих классификаций, связан-
ных с изучением характерных влажностей грунтов, в практике строитель-
3 Заказ № 549
65
Таблица 8
Виды крупнообломочных и песчаных грунтов
Наименование грунтов
Распределение частиц по крупности в %
от веса сухого грунта
К рупнообломочные:
грунт щебенистый (при преоблада-
нии окатанных частиц — галечнико-
вый)
грунт дресвяный (при преоблада-
нии окатанных частиц •— гравийный)
Песчаные:
песок гравелистый
песок крупный
песок средней крупности
песок мелкий
песок пылеватый
Вес частиц крупнее 10 мм составляет более
50%
Вес частиц крупнее 2 мм составляет более
50%
Вес частиц крупнее 2 мм составляет более
25%
Вес частиц крупнее 0,5 мм составляет более
50%
Вес частиц крупнее 0,25 мм составляет бо-
лее 50%
Вес частиц крупнее 0,1 мм составляет более
75%
Вес частиц крупнее 0,1 мм составляет менее
75%
Примечание. Для установления наименования грунта по табл. 8 последовательно сумми-
руются проценты содержания частиц исследуемого грунта: сначала крупнее 10 мм, затем крупнее 2 мм
и т. д. Наименование грунта принимается по первому удовлетворяющему показателю в порядке распо-
ложения наименования в таблице.
Рис. 7-3. Графическое выражение результатов гранулометричес-
кого анализа песка
ства для характеристики глинистых грунтов часто используется классифи-
кация В. В. Охотина (1940 г.). Эта классификация в несколько сокращен-
ном виде приводится в табл. 9.
Таблица 9
Классификация грунтов по В. В. Охотину
Наименование грунта
Содержание глинистых частиц
(мельче 0,005 мм) в % по весу
Глина тяжелая .............................
Глина ..... ...............................
Суглинок тяжелый...........................
» средний .............................
» легкий ..............................
Супесь тяжелая.............................
» легкая ............. ................
Песок .... ................................
Более 60
60—30
30—20
20—15
15—10
10—6
6—3
Менее 3
В приведенной классификации глинистыми считаются фракции с разме-
ром частиц меньше 0,005 мм. При преобладании в суглинистых и супесча-
ных грунтах пылеватых фракций (размером 0,05—0,005 мм) над песчаными
(размером 0,05—2,0 мм) к наименованию грунта добавляется слово «пы-
леватый». Так, например, мы можем встретить в строительной практике
легкие пылеватые супеси. Часто встречаются глинистые грунты с преоблада-
нием в их составе песчанистых фракций над пылеватыми. Такие грунты
именуются песчанистыми глинами.
Эту классификацию следовало бы пополнить породами с преобладаю-
щим содержанием пылеватых фракций (пыль). Таким породам, представ-
ляющим особый интерес с точки зрения инженерной геологии, можно
было бы присвоить наименование алевритовых, пылистых, или мучнистых.
Гранулометрический состав пылистой породы можно было бы характери-
зовать следующим образом:
глинистых фракций (мельче 0,005 мм) . менее 3%
пылеватых » (0,5—0,005 мм) ........ более 50%
песчаных > (более 0,05 мм) ........ менее 50%
Часто, в особенности для литологической характеристики грунта (гли-
на, суглинок и супеси, тяжелые или легкие), нет необходимости в столь
подробном расчленении состава породы по фракциям. Во многих случаях
достаточно определить процентное содержание в породе частиц: а) песча-
ных крупнее 1 мм; б) песчаных диаметром 1 — 0,05 мм; в) пылеватых
Диаметром 0,05—0,005 мм; г) глинистых диаметром менее 0,005 мм.
67
3*
Наиболее просто такой анализ может быть произведен так называемым
полевым способом. Содержание в породе частиц крупнее 1 мм устанавли-
вается просеиванием навески грунта через сито с отверстиями 1 мм. Ко-
личество песчаных фракций (диаметром 0,05—1,0 мм) определяется отму-
чиванием грунта. Для этого навеску грунта помещают в мензурку с водой,
энергично взбалтывают ее и затем через определенное время сливают мут-
ную воду до определенной глубины. Отмучивание повторяют несколько
раз до полного просветления сливаемой жидкости, после чего замеряют
объем песчанистого осадка.
Содержание глинистых частиц определяется по приращению объема
навески грунта в воде за счет разбухания глины по специальной таблице
или по формуле
x = 22,7v0, (7-2)
где х — содержание в грунте глинистых частиц;
v0 — приращение объема на 1 см3 первоначально взятого объема грунта.
Содержание пылеватых фракций после этих операций устанавливается
пересчетом, как дополнение до полного объема навески. i
Удельный вес породы 70. Прежде всего необходимо отметить, что когда
мы говорим об удельном весе частиц, слагающих породу, то подразумеваем
средний удельный вес для всех частиц. Удельный вес численно характери-
зует вес одной кубической единицы породы при условии, если бы в ней
совсем не было пор. В принятом нами обозначении удельного веса у0 это
обстоятельство находит выражение в нулевом индексе при у. Отсюда сле-
дует, что определение у0 заключается в опытном определении объема твер-
дых частиц, слагающих некоторое количество породы, и веса самих частиц.
Если суммарный объем некоторого количества частиц (скелета об-
разца) обозначить через Еск и вес этих частиц через QCK, то удельный вес
частиц у0 определится из выражения
То=Ф. (7-3)
СК
Отметим, что удельный вес грунта имеет размерность объемного
веса (т. е. Г/см3 или Т/м3). Это положение вытекает из выражения (7-3).
При определении QCK взвешиванием необходимо образец еще до взве-
шивания тщательно высушить, с тем чтобы полностью удалить из него
влагу и определить чистый вес минеральных частиц, слагающих грунт.
Сложнее вторая операция — определение объема, занятого некоторым
количеством частиц. Принцип этого определения сводится к установлению :
VCK путем взвешивания объема воды, вытесняемого пробой сухого грунта ;
при погружении ее в воду. Наиболее широким распространением пользу-;
ется метод определения удельного веса при помощи пикнометра. В этом;
случае объем Уск определяется по разности между суммой весов пикнометра,;
68
заполняемого водой до черты на узком горлышке, и отдельно взятой пробы
грунта QCK и веса того же пикнометра, также заполненного водой до той
же черты, но с помещенным в него образцом грунта. Ясно, что разность
этих весов и будет соответствовать весу вытесненной воды в объеме Уск.
Вытеснение воздуха из образца, необходимое во избежание преуменьшения
удельного веса, достигается предварительным длительным кипячением
грунта в том же пикнометре. С этой же целью для опыта используется
только дистиллированная вода. При кипячении образца всегда возникает
опасность выброса из пикнометра части грунта с водой. Во избежание
этого приходится ограничивать вес пробы грунта до 5—10 Г, а это в свою
очередь влечет за собой требование повышения точности всех остальных
операций. В частности, во избежание грубых ошибок взвешивание пикно-
метра только с водой, а также с водой и пробой грунта в нем производят
при одной и той же температуре; при разных температурах следует вво-
дить поправки на плотность воды.
Удельный вес различных грунтов (с размерностью Г/сж3или Т/м3)
колеблется в пределах от 2,60 до 2,85 и чаще всего — от 2,65 до 2,75. Удель-
ный вес частиц, слагающих кварцевый песок, 2,65—2,66, для супесчаных
и суглинистых грунтов соответственно 2,70 и 2,71; для глинистых 2,74—
2,80.
Объемный вес породы Объемным весом грунта называется вес еди-
ницы его объема. Объемный вес грунта зависит от удельного веса частиц,
слагающих породу, от плотности и степени увлажнения грунта, т. е. от
его влажности w.
Если величину объема некоторого количества грунта обозначим через
Vw и вес этого же количества породы через Qw, то объемный вес
Ь, = ^- (7-4)
И w
Под объемным весом скелета ^ск мы представляем себе вес твердой фазы
(твердого вещества) грунта в единице объема породы. Иначе говоря, под
'[ск разумеется вес кубической единицы грунта, измеренной по объему
в состоянии естеапеенной его плотности-(влажности) и взвешенной после
полного высушивания. Объемный вес скелета грунта уск связан с объемным
весом грунта и влажностью породы w зависимостью
(7’5)
где ш — влажность в долях единицы.
Так, например, приуда = 1,9 Т/м3 и влажности &у=34% объемный вес
скелета
^ = 14^34 = 1,417/^.
69
Как это следует из самого понятия объемного веса, определение его
должно состоять из двух основных операций: определения объема некото-
рого количества грунта и определения веса этого объема грунта.
Определение объема образца (монолита) н е п о р и с-
той скалистой породы осуществляется наиболее простым спо-
собом, благодаря возможности определить этот объем без особых ошибок
и расстройства грунта путем погружения образца в воду и замера вытес-
ненного при этом объема воды. С равным успехом при этом определении
может быть использован известный физический принцип измерения объема
тела по потере его веса при погружении в воду за счет веса вытесненной
при этом воды.
Определение объема образца глинистого грун-
т а путем непосредственного погружения его в воду невозможно, так как,
смачиваясь водой, глинистый образец либо распадается, либо разбухает,
поглощая воду. Поэтому образец глинистого грунта перед погружением
в воду предварительно парафинируют, т. е. покрывают слоем не пропускаю-
щего воду парафина. При парафинировании следует избегать возможного
защемления воздуха (пузырьков) между грунтом и парафином. Далее
опыт проводится обычным образом, описанным выше. Для получения ве-
личины объема чистого грунта необходимо из найденного общего объема
запарафинированного грунта вычесть объем, занятый парафином. Объем
парафина легко определяется взвешиванием образца до и после парафини-
рования и учетом объемного веса самого парафина, обычно близкого к
0,9 Т/м3. Очень удобен метод определения объема образца глинистого
грунта путем погружения его в ртуть, измерения объема вытесненной при
этом ртути путем ее взвешивания с учетом температурной поправки; в
этом случае используется образец в естественном виде, без парафинирова-
ния.
Объемный вес значительных по размеру моно-
литов связных грунтов может быть определен с достаточ-
ной точностью путем непосредственного замера монолита, приведенного
в правильную геометрическую форму, например цилиндрическую, и его
последующего взвешивания. В нашей практике для определения объемного
веса часто используется металлический цилиндр без дна и крышки с заост-
ренным режущим краем диаметром от 5 до 15 см и высотой от 2 до 5—10 см.
Для отбора пробы кольцо вдавливается в грунт. Объем образца в данном
случае определяется внутренним объемом цилиндра.
Объемный вес глинистых грунтов должен определяться только для об-
разцов с ненарушенной структурой с установлением их контрольной влаж-
ности w, которая и находит свое выражение в виде индекса при обозначении
объемного веса грунта так, например, обозначение 724==1>95 Т/м3 сви-
детельствует о том, что 1 м3 глинистого грунта при влажности оу=24%
весит 1,95 Т.
70
Объемный вес влажных глинистых грунтов обычно лежит в пределах
, = 1,95—2,10 Т/м3. Объемный вес сухих несвязных сыпучих грунтов
варьирует обычно в пределах от 1,58 до 1,65 Т/м3.
Определение объема несвязных песчаных грун-
тов встречает некоторые трудности вследствие отсутствия приборов, ко-
торыми можно было бы брать образцы песчаных грунтов без повреждения
их структуры. Отсюда возникла практика определения объемного веса
песков в двух состояниях— наиболее рыхлом и наиболее плотном. Само
определение ведется путем соответствующей укладки песка в мерные со-
суды, причем пески испытываются в сухом виде или под водой. Надлежа-
щая рыхлость песка достигается осторожным его насыпанием — «труше-
нием» — в сосуд, а предельная плотность — путем тщательного штыкова-
ния песка до постоянства объема или вибрацией.
.Во многих случаях измерение объема сухого песка при наибольшем
его разрыхлении может быть очень просто произведено следующим обра-
зом: некоторый измерительный сосуд (например, градуированный цилиндр)
наполняется песком примерно до половины его высоты. Затем его зажимают
рукой, осторожно наклоняют до горизонтального положения и так же
осторожно возвращают в исходное положение. После этого обычным обра-
зом по делениям производится замер объема образца.
Влажность породы w. Влажность грунта в некоторой пробе глинис-
тых пород является, как мы уже знаем, одним из главнейших контрольных
определений. Влажность представляет собой выраженное в процентах
отношение веса Pw воды, заключенной в порах породы, к весу QCK скелета
(твердых частиц) в этой же пробе, т. е.
(7-6)
Чек
В ряде случаев при пересчетах влажность w выражается в долях еди-
ницы.
Вес воды P.w определяется как разность весов пробы грунта в состоянии
естественной влажности и абсолютно сухом. Вес скелета отождествляется
с последним весом. Отсюда возникает и сам принцип определения влаж-
ности посредством высушивания проб грунта в специальных сушильных
шкафах. Во избежание грубых ошибок образцы сушат при постоянной
температуре около 105°'в течение достаточно длительного времени (до посто-
янного веса, устанавливаемого повторными взвешиваниями). При меньшей
температуре не может быть достигнуто полное удаление влаги из образца,
при большей возникает опасность появления ошибок, связанных с возмож-
ностью сгорания некоторой части породы, в частности органических
включений.
Критерием степени заполнения пор в грунте является коэффи-
циент водонасыщения (или степень влажности грунта), который мы будем
71
обозначать через G. Величина коэффициента G определяется по выражению
G = . (7-7)
Здесь w — природная влажность грунта;
wQ — предельная влажность грунта, возможная при данной порис-
тости (плотности) породы. Обычно wQ называется полной вла-
гоемкоспгью.
Естественно, что при G=1 все поры в грунте заполнены водой; при G< 1
приходится говорить о присутствии в грунте некоторого количества воз-
духа или других газов.
Полная влагоемкость вычисляется по выражению
к—100 (ф-ф) Дв, С-8)
где Тск— объемный вес скелета;
у0—удельный вес частиц породы;
Ав—объемный вес воды (1,0 Г/см3 или 1,0 Т/м3).
Пример. Допустим, что iCK=l,41 Т/м3, у0=2,68 Т/м3, оу=30%,
Ав = 1,0 Т/м3. Тогда по выражению (7-8)
^=100 (тф-ДД1-^340/»;
по выражению (7-7)
G = -|2- = 0,88,
т. е. в данном грунте не все поры заполнены водой.
Коэффициент водонасыщения может быть также определен по следую-
щей более простой формуле, вытекающей из приведенной ниже формулы
(7-15):
G = (7-9)
4 Га
где s — коэффициент пористости;
Ав—удельный вес воды (в той же размерности, что и удельный вес т0
грунта).
По степени заполнения пор водой в песчаных и макропористых грун-
тах различают грунты:
а) сухие и маловлажные — при б<ф),5;
б) очень влажные-—при 0,5<С<Д,8;
в) насыщенные — при 0,8<Д<Д,0.
72
В огромном большинстве случаев с необходимой для практических
целей точностью можно принимать, что грунты, залегающие ниже уровня
воды, являются полностью водонасыщенными.
Влажность w глинистых грунтов в их естественном состоянии варьиру-
ет в очень широких пределах (обычно от 25 до 40% и выше).
Оптимальной влажностью wm называется влажность, при которой наи-
большая по объемному весу скелета ^ск плотность грунта достигается при
определенной (стандартной) затрате работы на его уплотнение. Число
ударов для стандартного уплотнения грунта в цилиндре диаметром 100 мм
и высотой 127 мм принимают равным: для супесей — 75, для суглинистых
и пылеватых грунтов — 90 и для глин — 120.
Уплотнение производят за три приема, наполняя цилиндр грунтом
в три слоя и приступая к уплотнению последующего слоя после окончания
уплотнения предыдущего. Уплотнение производят гирей весом 2,5 кГ при
высоте падения 30 см. Опыт повторяют несколько раз с грунтовой массой
различной влажности. Определение даоп производится по графику в коор-
динатах уск =/(щ) применительно к максимальному значению объемного
веса скелета уск.макс. Понятие об оптимальной влажности используется
для выявления наиболее оптимальных условий уплотнения глинистых грун-
тов в земляных сооружениях.
Пластичность и консистенция глинистых пород. Показателями плас-
тичности породы являются так называемые пределы, или границы, теку-
чести LL и пластичности (раскатывания) PL и число пластичности PI*.
Определение этих показателей заключается в установлении той влажности,
при которой данный глинистый грунт будет обладать некоторыми свойст-
вами, которые условились принимать как стандартные при испытаниях.
За границу (предел) текучести принимается влажность, при которой стан-
дартный балансирный конус за 5 сек под действием собственного веса погру-
жается в массу грунта на 10 мм. Схема балансирного конуса показана
на рис. 7-4.
Под пределом пластичности или границей раскатывания подразуме-
вается та влажность, при которой шнуры толщиной в 3 мм, стандартным
образом приготовляемые из грунта раскатыванием, начинают распадаться
на куски. Обычная ошибка при этом определении — несоблюдение стан-
дартного размера шнура.
Под числом пластичности PI (%) понимается разность между числен-
ным выражением предела текучести и предела пластичности, т. е.
PI = LL — PL. (7-10)
Так, например, при пределе текучести ££=28% и пределе пластичности
* Обозначения LL, PL, и PI отвечают международной системе. В нашей практике
эти показатели часто обозначают а»т, юр, wn.
73
PL = 18% число пластичности будет PI — 1Q. Чем порода глинистей, тем
выше ее число пластичности. Вместе с тем сопоставление природной влаж-
ности образца с пределами пластичности и текучести, т. е. с влажностью,
соответствующей этим состоянием, определяемой опытом, дает нам извест-
ное представление о природном состоянии породы.
У глин и суглинков различают следующие состояния: твердое, плас-
тичное, текучее. При этом полагают, что грунт находится в твердом со-
его природная влаж-
предела пластичности,
для
Рис. 7-4. Балансирный конус
^..определения предела текучести:
1 — подставка; 2 — круговая метка; 3 —
ручка; 4 — конус 30°; 5 — грунтовая масса;
6 — балансирный шар
стоянии, если
ность меньше
т. е. w<^PL. Когда грунт находится в
пластичном состоянии, то его природ-
ная влажность выше предела пластич-
ности, но не выше предела текучести,
т. е. PL-^w-^LL. Наконец, мы гово-
рим, что грунт находится в текучем
состоянии, если его природная влаж-
ность оказывается выше предела теку-
чести, т. е. w^LL.
В стремлении отразить состояние
глинистой породы по влажности в чис-
ловом выражении используются так на-
зываемые показатели консистенции. На-
иболее часто этот показатель, обозна-
чаемый через В, определяется по сле-
дующей зависимости:
w.— рр
LL — PL ИЛИ Р1
В этом случае глинистые грунты по своей консистенции именуются
твердыми при В<0, пластичными при и текучими при В>1.
В более детальном виде консистенция глинистого грунта устанавлива-
ется исходя из следующих значений коэффициента В:
В__ w — PL
(7-11)
Консистенция в Консистенция в
Твердая ........... Менее 0 Мягкопластичная .... 0,50—0,75
Полутвердая 0,00—0,25 Текучепластичная .... 0,75—1,00
Тугопластичная 0,25—0,50 Текучая Более 1,00
За рубежом консистенция глинистых грунтов в последнее время опре-
деляется по прочности цилиндрического образца при сжатии его вдоль ।
оси до раздавливания согласно следующим пределам:
74
Консистенция Предел проч- ности на сжа- тие, кГ/смг Консистенция Предел проч- ности на сжа- тие, кГ/см?
Оч^нь мягкая Мягкая . . Среднежесткая Менее 0,25 0,25—0,50 0,5—1,0 Жесткая ......... Очень жесткая Чрезвычайно жесткая . . . 1—2 2—4 Более 4
По Строительным Нормам и Правилам технических условий проекти-
рования естественных оснований зданий и сооружений (СНиП Н-Б.1—62)
число пластичности используется для характеристики вида глинистых
грунтов по таким показателям:
Вид грунта Супесь Суглинок Г лина
Число пластичности 1—7 7—17 Более 17
Таблица 10
Дорожная классификация грунтов
Виды Разновидности Число пластичности Содержание песчаных частиц в грунте
по размерам частиц, лш по весу, %
Глины Жирные Пылеватые (по- лужирные) Песчанистые >27 17—27 17—27 Не нормируются
2—0,05 >40
Суглинки Тяжелые пыле- ватые Тяжелые Средние и лег- кие пылеватые Легкие 12—17 17—27 7—12 7—12 2—0,05 2—0,05 2—0,05 2—0,05 <40 >40 <40 >40
Супеси Тяжелые пыле- ватые Пылеватые Т яжелые Легкие 1—7 1—7 1—7 1—7 2—0,05 2—0,05 2—0,05 2—0,25 <20 ' 20—50 >50 >50
Пески Пылеватые Мелкие Средние Крупные Очень крупные <1 <1 <1 <1 >0,1 >0,1 >0,25 >0,5 >1,0 >75 <75 >50 <50 >50
75
!
Дорожная классификация грунтов помимо числа пластичностр учиты-
вает также содержание песчаных частиц (табл. 10). !
При содержании в грунте частиц крупнее 2 мм в количестве 20—50%
наименование грунта дополняется словом гравелистый при окатанных
частицах и щебенистый при неокатанных.
Показатели плотности породы е и п. Показателем плотности породы
является ее коэффициент пористости е. В строительной практике для оцен-
ки плотности сыпучих грунтов чаще пользуются иным показателем,
который называется пористостью, обозначается обычно через п и выра-
жается в процентах. Под пористостью п понимают отношение объема,
занятого порами, ко всему объему грунта в отличие от коэффициента
пористости е, представляющего собой отношение объема пор к обтему
скелета грунта.
Так, например, если объем пор в 1 м3 грунта будет равен 0,4 м3, а объем
скелета 0,6 м3, то
" = 100 = 40% и ° = О = °’67'
Формулы перехода от п к е и обратно представляются выражениями:
е = тД: <7-12)
" = <7"13)
Определять пористость грубообломочных пород (гальки, щебня, гравия)
и крупнозернистых песков проще всего путем определения объема воды,
потребного для полного заполнения пор. Для других пород этот метод
неприемлем из-за защемления пузырьков воздуха в порах породы при ее
заливке водой. В этих условиях пористость п и коэффициент пористости е
определяются пересчетам через объемный вес удельный вес -[0 и влаж-
ность w породы по формуле
е = рЩЩЖ] 1. (7.14)
L J . ,i
S'
Для полностью водонасыщенных пород г может ? быть установлено из
следующего выражения
е===И)._11 (7-15)
или, полагая в большинстве инженерных расчетов объемный вес воды
Ав =1,0 (т. е. Ав =1,0 Г/см3 или Ав =1,0 Т/м3), будем иметь
е = 70[Щ (7-16)
76
В обеих формулах влажность w выражается в долях единицы. Опре-
делив тем или иным способом е, мы можем легко найти величину пористос-
ти п, например, по выражению (7-14).
Пористость сухого песка проще всего определять по выражению
(7-17)
д __- 0 ск
10
Для глинистых грунтоз в зависимости от их плотности коэффициент
пористости обычно варьирует в пределах от 0,6 до 0,8 и нередко выходит
за эти пределы.
Пористость п для песчано-гравелистых грунтов в большинстве случаев
оказывается близкой к 38—42%.
В ряде случаев (определяют относительную плотность D сыпучих
грунтов по формуле
___ £макс £
£макс £мин
(7-18)
- Рис. 7-6. Испыта-
ние на размокае-
мость грунта по
методу Свирьстроя
Рис. 7-5. Прибор ПР
для определения раз-
мокаемости:
7 — поплавок; 2—сетка;
3 — шкала
где гМакс и Емин—соответственно максимальный и минимальный коэффи-
циенты пористости грунта в его наиболее рыхлом и плот-
ном состоянии;
е —. коэффициент пористости, соответствующий заданному со-
стоянию грунта.
По относительной плотности
пески характеризуются следую-
щим образом: рыхлые — при D
от 0 до 0,33; средней плотно-
сти — при D от 0,34 до 0,66;
плотные — при D от 0,67 до 1.
Проба на размокаемость.
С точки зрения инженерно-гео-
логической характеристики
грунта весьма показательной
является его способность к раз-
моканию.
Та или иная размокаемость
грунта свидетельствует о боль-
шей или меньшей его водоус-
тойчивости. В нашей практике
для испытания на размокае-
мость часто используется при-
бор ПР конструкции Д. И. Зна-
менского — В. И. Хаустова
(рис. 7-5). Благодаря полому
77
сю-'
Таблиц^! 11
Взаимные зависимости наиболее важных показателей грунтов
№ п.п. Обозна- чения То Tty Тек п £
1 То то Т® (1+R (1— Тск 1 —п Тск 1 — п Тск (1 + £) Ge W
2 lw ТоО ~п) (1+R 7® Тск (1 + R 7о(1—«) (1+^) То (Н®) 1 + е Gn (1 Ц- w) w
3 Тек То (1 —«) 7® 1 + W Тск 7о(1 —п) То 1 4- £ 7® 1 + w
4 п То Тек То 1 7® ~7о(1 + То Тск То п 1 + е To (1+^)
5 £ То — Тск Тек То (Ни) _ г Т® То — Тск Тск п . 1 — п е ToU+^O < — i T®
6 W Т® 1 То (1-п) -1 Тэд • Тек Тск Тэд — Тск Тск 7® 1 7о(1-/2) Т® (НЮ _ t То w
7 G Ro (1 — п) 72 r® п (1+^) Ав RcK , П ДБ Rck «Ав Ro еДв 2 Д в
а б в г Д e
поплавку 1 весь прибор с образцом грунта находится в плавучем состо-
янии. Образец грунта размером 2,5x2,5x2,5 см помещается на сетку 2.
В процессе размокания грунт теряет в той или иной мере свою связ-
ность и, распадаясь, падает через сетку на дно сосуда, прибор облег-
чается и несколько всплывает. Ход описываемого процесса во времени
фиксируется отсчетами по шкале 3. Однако часто грунт в образце, пол-
ностью потеряв под водой свою прочность, сохраняет в силу своей лип-
кости видимую внешнюю первоначальную форму, что ведет к очевид-
ным ошибкам в характеристике грунта. Во избежание этого рекоменду-
ется производить испытание на размокаемость по методу Свирьстроя
(рис. 7-6).
Размер образца, помещаемого в ванну с водой, 3x3x3 см. Грунт в
процессе опыта находится под стандартной нагрузкой от веса штифта
прибора Вика. По отсчетам на шкале строится график, свидетельствую-
щий о скорости разрушения образца под водой.
В заключение настоящей главы приведем табл. 11 взаимных зависимос-
тей наиболее важных физических характеристик грунтов.
ГЛАВА 8
СОПРОТИВЛЯЕМОСТЬ ГРУНТОВ СДВИГУ. ПОКАЗАТЕЛИ.
МЕТОДЫ ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Природа прочности горных пород и грунтов. Большая или меньшая
деформируемость горной породы под нагрузкой определяется ее проч-
ностью. Вместе с тем в конечном итоге прочность горной породы опреде-
ляется ее сопротивляемостью сдвигу. Сопротивляемость сдвигу, обозна-
чаемая нами spw, как величина удельного сопротивления сдвигу, свиде-
тельствует о сопротивлении породы сдвигу по единичной площадке и имеет
размерность напряжений, т. е. кГ/см2 или Т/м2 и т. д.
Необходимо отметить различие в понятиях сопротивления и сопротив-
ляемости грунтов сдвигу. Сопротивление сдвигу свидетельствует об общем
сопротивлении сдвигу некоторой толщи грунта по определенной поверх-
ности с той или иной площадью. В соответствии с этим сопротивление
грунта сдвигу, обозначаемое через S, измеряется в килограммах, тоннах
или ньютонах. Очевидно, что сопротивление S сдвигу некоторого объема
грунта со сдвигом его по некоторой поверхности с площадью oj определит-
ся как
S = spw^. (8-1)
Сопротивляемость грунтов сдвигу в общем виде может быть представ-
лена зависимостью* *
, Spw ~ Р tgTw + + сс. (8-2)
* Н. Н. М а с л о в. Инженерная геология. Стройиздат, 1941.
79
Здесь рп — действующее в породе по данной площадке нормальное напря-
жение, обозначаемое для краткости без индекса п, т. е. р;
— Угол внутреннего трения при влажности w,
— связность породы водно-коллоидной природы и обратимого ха-
рактера при влажности w;
сс —жесткое структурное сцепление с характером необратимых
связей.
В данном случае, как и во всех последующих, spw, и сс имеют раз-
мерность напряжений (кГ/сж2). Соответствующие индексы у s, у и Е ука-
зывают на зависимость всех этих показателей в определенных условиях
от влажности ш, а сопротивляемость породы сдвигу spw в общем случае
и от величины нормального напряжения р.
Таким образом, сопротивляемость породы сдвигу и, следовательно,
ее прочность в общем случае определяются: а) силами внутреннего трения
в породе, зависящими от величины нормального напряжения р; б) связ-
ностью Ew породы и в) величиной свойственного ей структурного сцепле-
ния щ.
Следует иметь в виду, что в данном и во всех последующих случаях
сопротивляемость s грунта сдвигу соответствует предельному сопротивле-
нию грунта сдвигу в момент скольжения. Это положение имеет принци-
пиально важное значение для последующего изложения вопроса в связи с
теорией предельного равновесия.
Природа внутреннего трения в грунтах. Природа сил внутреннего тре-
ния в рыхлых сыпучих грунтах, подобных песку, представляется в из-
вестной мере определенной. Поверхность частиц сыпучих пород обладает
той или иной шероховатостью. При соприкосновении и прижатии одной
частицы к другой, происходящем при воздействии на грунт сжимающих
нормальных напряжений, между частицами возникают силы трения, про-
являющиеся при взаимном их смещении. Силы трения, как показывает
опыт, до некоторых пределов нормального напряжения связаны с ним пря-
молинейной зависимостью. Обозначив удельную силу трения через sTp (ее
размерность — кГ/см2), мы можем написать
sTp = pf, (8-3)
где f — коэффициент трения, характеризующий в данном случае шерохо-
ватость частиц — зерен песка.
Коэффициент трения, как известно, может быть выражен через угол
трения ф. Тогда выражение (8-3) может быть представлено в следующем
виде:
sTp = ptg(p (8-4)
Поскольку трение возникает внутри породы, f и ср называются соот-
ветственно коэффициентом и углом внутреннего трения породы.
80
Для песчаных и вообще зернистых грунтов (гравий, галька, дресва,
щебень) угол внутреннего трения зависит от плотности сложения грунта.
Наиболее очевидным показателем плотности грунта является его порис-
тость п, выражаемая в процентах или долях единицы. В этом случае мы
должны оперировать приведеннными выше показателями в зависимости
от плотности грунта, характеризуемого его пористостью п, т. е. «у и fn.
В этом случае выражение (8-4) получает такой вид:
sTp = ptgT„. (8-5)
В общем случае, что является особенно характерным для глинистых
грунтов, коэффициент f и угол внутреннего трения у могут оказаться за-
висимыми от степени увлажнения породы, характеризуемой ее влажностью
Учитывая это, мы для данного случая можем написать выражение (8-4)
уже в виде
sTp = ptgcpw. (8-6)
Последнее выражение в точности соответствует первому члену нашей
основной зависимости (8-2). Однако применительно к глинистым грунтам
вопрос о внутреннем трении оказывается много сложнее и требует рассмот-
рения в совокупности с другими видами внутренних связей, определяющих
собой прочность глинистых пород, т. е. и сс.
Природа структурного сцепления сс. Структурное сцепление сс при-
дает породе определенную жесткость, твердость. Этот вид сцепления обус-
ловливается наличием в породе некоторых жестких связей, действующих
между слагающими ее частицами.
Структурное сцепление особенно характерно для скалистых пород,
где оно практически полностью определяет прочность породы. В глинис-
тых грунтах структурное сцепление выражено значительно менее ясно.
В сыпучих грунтах, подобных рыхлому песку, щебню и т. д., структурное
сцепление, естественно, отсутствует. В плотных песках, песчано-гравелис-
тых и галечниковых грунтах во многих случаях возникает некоторое взаим-
ное зацепление зерен. Этот фактор может рассматриваться в данном слу-
чае как проявление структурного сцепления
Жесткие связи скалистых и сцементированных пород, придающие им
большее или меньшее подобие твердых тел, носят характер ионных связей,
. имеющих электрическую природу.
В сцементированных породах (песчаники, аргиллиты и т. д.) жесткие
связи возникают при их цементации в природных условиях теми или ины-
ми веществами. Структурное сцепление связано с кристаллизацией ве-
щества, срастанием кристаллов, приживаемостью, спайностью отдельных
частиц и т. д., возникающими в породе при определенных обстоятельствах.
Структурные связи носят в известной мере упругий характер, опреде-
ляющий степень деформируемости пород и даже некоторую их уплотняе-
81
мость. Однако при разрушении структуры породы или грунта жесткие
структурные связи, обусловливающие структурное сцепление сс, безвоз-
вратно нарушаются. Это обстоятельство позволяет характеризовать свя-
зи структурного сцепления как необратимые. Это свойство структурного
сцепления является главным и его определяющим. Нарушение структур-
ного сцепления может возникнуть в относительно слабых породах при
чрезмерной нагрузке («раздавливание структурного скелета») при явлении
необратимого сдвига, при чрезмерном увлажнении пород с относительно
слабым структурным сцеплением и т. д. В последнем случае в связи
с расклинивающим воздействием утолщающихся водных пленок, обвола-
кивающих частицы грунта, часто наблюдается пучение (набухание) гли-
нистых пород. Эти явления ведут в свою очередь к разрыву имеющихся
в породе жестких структурных связей и, как следствие, к часто наблюдае-
мой в коренных глинистых породах потере прочности грунта во времени.
Природа связности глинистых грунтов. Связность Еда, присущая не-
сцементированным глинистым породам в любой консистенции и в основном
определяющая их прочность, имеет иной характер. В зависимости от сте-
пени увлажнения глинистые породы могут многократно переходить из
твердого состояния в полуразжиженное и наоборот, что можно видеть
во время, например, весенней и осенней распутицы на глинистых участках
грунтовых дорог. Несколько комьев глины в пластичном состоянии легко
могут быть соединены в один ком или монолит соответствующим сжатием.
На этом основана технология прессования сырцовых кирпичей. Пласти-
ческие свойства глины хорошо известны скульпторам. Таким образом,
связность в отличие от структурного сцепления сс носит обратимый,
восстанавливающийся характер. Такой характер рассматриваемых связей
определяется их водно-коллоидной природой.
Следует отметить, что вопрос о природе прочности глинистых грунтов
является весьма сложным и еще не до конца раскрытым.
В недавнем прошлом в науке господствовали ошибочные представления,
выдвинутые за рубежом, о пластичности глинистых грунтов, как следствии
наличия в них слюды, о связности этих пород, как результате повышения
в породе сил внутреннего трения за счет обжатия внутренними капилляр-
ными силами, и т. д.
В изучении природы прочности глинистых, грунтов огромную роль
сыграли работы А. Ф. Лебедева о различных видах воды в грунтах* и уче-
ние об электрической природе связности глинистых грунтов, выдвинутое
русскими учеными.
Обычно глины характеризуются некоторой скелетной частью, сложен-
ной из более грубых частичек (нередко пылеватых или даже тонкопесчаных).
* А. Ф. Л е б е д е в. Передвижные воды в почвах и грунтах. Известия Донского
сельскохозяйственного института, 1918.
82
Этот структурный скелет., является несущей конструкциеиЧ-Аяднистого
грунта. В полостях между грубыми залегают более тонкие частицыАв^Йй"
личной стадии уплотнения, образующие собой причудливую губч^^Ж^
сотообразную, нередко строго организованную структуру. Все эти эле-
менты могут находиться в породе в различных структурных взаимоотно-
шениях, определяемых теми или иными условиями образования глин.
Эта структура имеет огромное значение с точки зрения природы и свойств
глинистого грунта. Более грубые — пылеватые или даже песчаные час-
тицы, входящие в состав глинистого грунта, бывают обычно представлены
по своему минералогическому составу кварцем, слюдой, полевым шпатом,
кальцитом и т. д. Несмотря на то, что в ряде случаев эти частицы имеют
размеры, выражающиеся в тысячных долях миллиметра, они не сообщают
породе пластичности.
Способность глинистых грунтов к пластическим деформациям и пуче-
нию обусловливается, по-видимому, содержанием в породе еще мало изу-
ченных глинистых минералов, представленных мельчайшими частицами
в кристаллической форме. К этой группе минералов могут быть отнесены,
как наиболее изученные, каолинит (А12О3- 2SiO2- 2Н2О) и монтморил-
лонит (А12О3- 4SiO2-/rH2O). Для монтмориллонита характерно пачко-
образное пластинчатое строение его кристаллов. В глинах, и в частности
бентонитовых, монтмориллонит бывает представлен в виде мельчайших
и тончайших пластиночек-чешуек размером в 1—2 мк и в 100—200 раз
меньшей толщиной (до миллионных долей миллиметра); на поверхности
пакетов, входящих в состав кристаллической решетки монтмориллонита,
находятся одинаковые и, следовательно, одинаково заряженные элементы
(кислород), в результате чего связь между пакетами у этого глинистого
минерала оказывается очень ослабленной. Это обстоятельство обусловли-
вает высокую пластичность монтмориллонитовых глин и их способность
к сильному разбуханию при насыщении водой (до 18 раз по объему). Као-
линовые глины с чешуйками значительно больших размеров и толщины
такими свойствами не обладают.
Благодаря исключительно малым размерам, измеряемым долями мик-
рона, глинистые минералы, входящие в состав глинистых грунтов в виде
мельчайших (дисперсных) частиц имеют огромную удельную поверхность
(т. е. поверхность частиц, отнесенную к единице объема). Исключительно
большой оказывается и суммарная поверхность всех частиц, слагающих
поводу. Отметим для примера, что суммарная поверхность очень тонких
глинистых фракций в 1 г вещества монтмориллонитовых глин достигает
нескольких сотен квадратных метров. Соответствующим образом растет
запас свободной энергии, связанной с этой поверхностью и имеющей очень
большое значение в формировании особых свойств глинистых грунтов.
При большой удельной поверхности частиц, слагающих грунт, приобре-
тает огромное значение процесс адсорбции. Благодаря адсорбции каждая
83
минеральная частица глин обволакивается водной пленочкой в результате,
как полагают, притяжения отрицательно заряженными глинистыми час-
тицами молекул воды.
Все тонкие частицы, слагающие глинистый грунт, а равным образом
и вода, заполняющая тончайшие поры в породе, а также обволакиваю-
щая частицы грунта, в результате проявления особых физико-химических
процессов находятся во взаимной связи между собой. В соответствии с
современными представлениями эти связи и обусловливают связность Еда,
а следовательно, в большинстве случаев и прочность глинистых грунтов.
Таким образом оказывается, что вода в порах грунтов может находиться
в различном состоянии.
В соответствии с учением А. Ф. Лебедева вода в грунтах при положи-
тельной температуре может быть представлена в виде: а) водяного пара;
б) гигроскопической воды; в) пленочной, или собственно связанной, воды
(вода диффузных оболочек); г) гравитационной, или свободной, воды.
Нередко в эту классификацию вносится еще одна разновидность воды —
рыхло-слабосвязанная, занимающая промежуточное положение между пле-
ночной и гравитационной формами воды.
Наличие водяного пара и гигроскопической воды свойственно грунтам,
находящимся в состоянии неполного водонасыщения (коэффициент водо-
насыщения б?<1). Такое состояние называется трехфазным (минеральный
скелет, а в порах грунта — воздух или другой газ, а также вода в том или
ином виде). При полном заполнении пор грунта водой мы говорим уже о
его двухфазном состоянии (минеральный скелет и вода). Гигроскопическая
вода может передвигаться в грунте, только перейдя в парообразное со-
стояние.
В отличие от пленочной (связанной воды) гравитационная вода явля-
ется свободной и в силу этого находится под воздействием силы тяжести,
которая и обусловливает ее передвижение в порах породы. Отметим,
что гидростатическое давление может развиваться лишь в гравитационной
воде. Гравитационная вода наиболее характерна для грубообломочных
пород, таких, как щебень, галька и песчаные. Для глинистых пород, осо-
бенно для плотных и жирных их разностей, характерна пленочная вода.
Пленочная, или собственно связанная, вода действием электрических
сил удерживается на поверхности частиц (вода диффузных оболочек) в
виде пленки той или иной толщины. Пленочная вода не подчиняется силе
тяжести и характеризуется особыми свойствами. Перемещение ее внутри
грунта осуществляется под воздействием сил молекулярного притяжения,
а возможно и электрических сил, в виде некоторого «переползания» от
частиц с более толстой к частицам с более тонкой пленкой. При малом коли-
честве воды в грунтах вода будет представлена в основном лишь гигроско-
пической и пленочной, т. е. водой, связанной (адсорбированной) с по-
верхностью частиц. Наличие водных оболочек на частицах связано с элект-
84
рическими зарядами, действующими на поверхности раздела минеральная
частица — жидкость. Отсюда возникло учение об электрокинетическом,
или 3-потенциале (дзета-потенциале) в грунтах.
Некоторые положения этой тео-
рии иллюстрируются рис. 8-1.
Непосредственно на отрицательно
заряженной поверхности частицы
возникает так называемый двойной
электрический слой. Молекулы во-
ды в этом слое притягиваются к
частице с огромной силой, изме-
ряемой десятками тысяч атмосфер,
и в силу этого он является непод-
вижным. С удалением от поверх-
ности частицы действующий здесь
электрокинетический потенциал
быстро рассеивается и падает. Со-
ответствующим образом по мере
удаления от поверхности частиц
быстро уменьшаются и электромо-
лекулярные силы. На расстоянии
от нее на несколько долей мик-
рона действие электромолекуляр-
ных сил оказывается уже нич-
тожным.
За пределами двойного элект-
рического слоя на частицу накла-
дывается иная водная оболочка,
Рис. 8-1. Схема молекулярного воздей-
ствия минеральной твердой частицы грун-
та с водой:
а — ориентация диполей воды; б — схема связанно-
сти воды; в — изменение величины молекулярных
сил; 1 — прочно связанная (адсорбированная) вода;
2 — рыхло связанная (лиосорбированная) вода
характеризующаяся некоторой все
возрастающей по мере удаления
от частиц степенью свободы. Эта
оболочка называется диффузной,
оболочкой.
Еще дальше от поверхности
частицы (если это допускается
степенью плотности породы), за пределами ее эффективного притяже-
ния, в зоне, где 5-потенциал практически падает до нуля, вода приобре-
тает (и сохраняет) обычные для нее свойства.
Связанная вода приобретает особые, не присущие ей в обычном состоя-
нии свойства. Плотность прочно связанной воды достигает 1,36 и даже
до 1,81 г!смъ (по А. Катукову). Такая вода способна оказывать некоторое
сопротивление растяжению и сдвигу; она характеризуется слабой раство-
ряющей способностью; температура ее замерзания — минус 60—80°.
85
С точки зрения характеристики глинистых грунтов весьма важным
фактом является то обстоятельство, что вязкость связанной воды выше
свободной и в тем большей степени, чем тоньше пленка воды, обволакиваю-
щая частицу и ею удерживаемая.
Пленочная вода, связанная с поверхностью частиц, блокирует наиболее
узкие ходы — поры между частицами. Отсюда возникает практически
полная водонепроницаемость плотных (нетрещиноватых) глин. Следует
отметить, что молекулы воды в диффузном слое значительно слабее реаги-
руют на воздействие разности напора и для перехода в движение тре-
буют повышенной величины градиента напора. Отсюда возникает понятие
«о начальном градиенте» (см. гл. 11). Следует отметить, что при уплотне-
нии глинистых грунтов нагрузкой гидратные оболочки на частицах ста-
новятся тоньше, частицы взаимно сближаются, что и ведет к повышению
эффективности молекулярных сил.
Однако на начальной стадии уплотнения грунта при контакте диффуз-
ных слоев двух смежных частиц возникают силы отталкивания. Это поло-
жение возникает при дальнейшем сближении частиц на расстояние нес-
кольких молекул в условиях преодоления сил отталкивания. Все эти
обстоятельства свидетельствуют об определенной структурной форме рас-
положения молекул воды в диффузном слое (полярность) и о некоторой
инертности этой структуры в отношении внешних воздействий.
Способность частицы удерживать вокруг себя пленку воды большей
или меньшей толщины обусловливается адсорбцией на поверхности крис-
таллов глинистых минералов тех или иных обменных катионов (К, Na,
Са, Mg”, AZ”; Fe”-).
Одновалентный ион натрия обладает способностью удерживать отно-
сительно большое количество воды. Двухвалентные катионы Са-* и Mg”
связаны с поверхностью глинистой частицы более прочно, но удерживают
уже меньшее количество воды. Это обстоятельство находит свое выражение
в значениях предела текучести (££) и числа пластичности (Р1). В частнос-
ти, у Na-монтмориллонитовых глин ££ и PI доходят соответственно до
731 и 631%, в то время как у Са-монтмориллонитовых глин эти показа-
тели много ниже — ££=285% и £/=185%. Для сопоставления небезынте-
ресно отметить, что для каолинитов предел текучести достигает 58% и
предел пластичности 37%. Число пластичности, следовательно, в данном
случае (по разности этих показателей) будет £/=21%.
Еще меньшую пленку воды удерживают трехвалентные ионы А1-”
и Fe**-. Вместе с тем они связаны с поверхностью частицы наиболее проч-
но. Имеет, несомненно, большое значение и химизм воды, насыщающей
грунт (кислая или щелочная среда).. При способности частиц удерживать
вокруг себя пленку значительной толщины (как, например, у Na-глин)
дополнительное увлажнение породы ведет к пучению грунта, связанному
86
с дальнейшим постепенным утолщением водной оболочки частиц. Частицы
грунта при этом отодвигаются друг от друга, выходя из зоны молекуляр-
ного притяжения, в результате чего силы связности между частицами
ослабляются.
При высокой степени насыщения глинистого грунта водой грунт прак-
тически полностью теряет свою связность, и его сопротивляемость сдвигу
в таком состоянии в конце концов оказывается ничтожной. Это положение
находит свое выражение и в особых структурах, свойственных разновид-
ностям этих глин и, в частности, флокулентно-карточной для Са-каолини-
товых и палочно-соломенной для полностью диспергированных Na-као-
линитовых глин. Если в первом случае имеют место многочисленные кон-
такты концов минеральных частиц, то у Na-глин такие контакты между
частицами полностью отсутствуют*.
Из изложенного ясно, что глины, характеризующиеся содержанием
связанных с поверхностью их частиц Са, Mg и особенно А1 и Fe, должны
отличаться более устойчивой структурой и меньше реагировать на допол-
нительное увлажнение, что подтверждается практикой. В свое время
акад. И. В. Гребенщиковым была предложена гипотеза о коллоидных
оболочках на поверхности силикатных и алюмосиликатных частиц, слагаю-
щих глинистые породы. Эта гипотеза позволила Н. Я- Денисову в содру-
жестве с акад. П. А. Ребиндером разработать учение о роли коллоидных
оболочек** в связности глинистых грунтов. В свете этой работы связ-
ность глинистых пород трактуется как прямое следствие склеивающей
способности коллоидных оболочек на поверхности частиц. Интенсивность
проявления связности оказывается при этом в зависимости от степени
концентрации коллоидного вещества в водно-коллоидных оболочках (так
сказать, от густоты клея).
Отсюда очевидно, что при обводнении грунта, связанном с его гидрата-
цией, происходит разжижение водно-коллоидных оболочек и поэтому связ-
ность глинистых пород неизбежно должна снижаться. Этот процесс сопро-
вождается утолщением водных оболочек на частицах, что приводит к уве-
личению расстояния между ними и, как следствие, к ослаблению проявле-
ния межмолекулярных сил и, следовательно, самой связности грунта.
И, наоборот, при дегидратации грунта, т. е. при уменьшении влажности
грунта, например при его осушении, связность породы может резко воз-
расти.
Так, по данным П. А. Ребиндера, бентонитовые глины с большим со-
держанием минерала монтмориллонита способны при обезвоживании ока-
зывать сопротивление раздавливанию до 400 кГ/см2. При этих условиях
* В. X о у. Инженерное грунтоведение (пер. с англ.). Стройиздат, 1966.
** Н. Я. Денисов и П. Д. Ребиндер. О коллоидно-химической при-
роде связности глинистых пород. «Доклады АН СССР», т. 6, 1946.
87
степень пластичности того или иного. грунта будет прямым образом свя-
зываться с характером и состоянием водно-коллоидных оболочек.
Благодаря особой ориентировки молекул воды около коллоидных час-
тиц глинистые грунты обладают способностью с течением времени как бы
отвердевать. Однако такое состояние не носит во всех случаях постоянного
характера. При разрушении природной структуры молодых осадков, на-
пример илов или перенасыщенных водой искусственных глинистых паст,
при встряхивании, перемешивании или промораживании первоначальная
закономерная ориентировка молекул воды около частиц утрачивается,
связующая способность пленок воды падает и порода может превратиться
в грунтовую массу с низкими показателями прочности. По прошествии
некоторого времени масса начинает постепенно как бы загустевать и при-
обретать прежнее состояние. Такие явления называются тиксотропными.
Отсюда возникло представление (по П. А. Ребиндеру) о значении коагу-
ляционно-тиксотропных структур в связности глинистых пород.
В течение необозримо долгого времени формирования в процессе диаге-
неза (уплотнения) и эпигенеза (цементации) коренных (дочетвертичных)
пород водно-коллоидные оболочки на частицах проходят процесс коллоид-
ного старения. Коллоидные оболочки теряют при этом свою гибкость и
способность взаимного обращения при гидратации и дегидратации. Таким
образом, в глинистом грунте происходит как бы процесс окаменения с
постепенным переходом внутренних водно-коллоидных связей в жесткие.
Глинистый грунт теряет свои пластические свойства. Связность пере-
ходит в структурное сцепление сс, и коренные глины приобретают свойст-
венную им некоторую твердость и жесткость. Процесс перехода сил связ-
ности Sw, обусловливаемых, как отмечалось выше, проявлением межмо-
лекулярных сил, в силы структурного сцепления сс сопровождается
возникновением тех или иных новообразований. В дальнейшем развитии про-
цесса ионные связи способны переходить в химические и металлические
связи. В этом случае мы сталкиваемся с последней возможной стадией
перехода сил вязкости в силы структурного сцепления сс, возникающей
при предельно возможном сближении частиц (приживаемость, спайность
частиц).
Пылеватые или даже песчанистые частицы при достаточном количестве
их в породе образуют структурный скелет, который является как бы не-
сущей конструкцией глинистого грунта. Жесткость грунтового скелета
в некоторых случаях может быть повышена за счет связующего воздействия
многообразных природных цементов. Здесь мы снова сталкиваемся с
проявлением структурного сцепления сс. Залегающие в полостях несущего
структурного скелета наиболее тонкие массы, находящиеся в менее
плотном состоянии, являются по отношению к структурному скелету гли-
нистого грунта некоторым заполнителем. При избытке в породе грубых
фракций заполнитель, по существу, не воспринимает части начальной
88
нагрузки, которая практически полностью передается на несущий грун-
товой скелет и им воспринимается. Этим объясняется меньшая сжимае-
мость таких глин и свойственное им повышенное значение угла внутрен-
него трения
Совершенно иная картина (в очень схематизированном виде) получится,
когда количества грубых частиц в породе будет недостаточно для образова-
ния несущего структурного скелета. В этом случае крупные, грубые
зерна окажутся разрозненными и будут втоплены в мягкую, мало уплот-
ненную, часто коллоидную массу структурного заполнителя. В результате
такая порода будет характеризоваться пониженным сопротивлением сдвигу
и, следовательно, меньшей прочностью. Подобные условия могут возник-
нуть и в том случае, когда по тем или иным внешним воздействиям (напри-
мер, при сдвиге, при чрезмерной нагрузке, сотрясении и т. д.) структурный
скелет в породе окажется разрушенным (порода с нарушенной структурой).
Внутренние связи в различных породах. В зависимости от характера
различных горных пород и грунтов в них могут превалировать внутренние
связи той или иной природы. Эти связи могут оказаться подавленными
или полностью потерять свое значение.
В скалистых породах, подобных граниту или известнякам, превали-
руют жесткие необратимые связи. Внутренние связи водно-коллоидной
природы в подобных породах не находят проявлений (Sw=0). Силы внут-
реннего трения, возникающие в породе от внешней нагрузки, по сравнению
со структурным сцеплением имеют в монолитных скалистых породах со-
вершенно подчиненное значение. Это обстоятельство позволяет в данном
случае при решении практических задач игнорировать силы внутреннего
трения и принимать для скалистых пород ®да=0.
В работе сыпучих, несвязных грунтов (песок, гравий, щебень и т. д.),
например, под нагрузкой от веса сооружений, наибольшее значение при-
обретают силы внутреннего трения и только отчасти силы структурного
сцепления.
Наибольшее значение в прочности глинистых пород приобретает связ-
ность Еда, хотя в определенных случаях могут найти свое выражение и
другие компоненты сопротивляемости горных пород сдвигу, т. е. силы
внутреннего трения и структурного сцепления.
Очевидно, что применительно к породам того или иного класса основ-
ное выражение (8-2) будет в той или иной форме трансформироваться,
что требует специального рассмотрения.
Сопротивляемость сдвигу зернистых (несвязных) грунтов
Влияние гранулометрического состава и плотности грунта. Как уже
отмечалось выше, в сопротивляемости сдвигу чистых (неглинистых) зер-
нистых или сыпучих грунтов доминирующее значение имеют силы внут-
89
Рис. 8-2. Зависимость вида
ярл — f(p) сопротивляемости сдви-
гу зернистых грунтов от на-
грузки при разной их плотно-
сти (по пористости п)
реннего трения и отчасти структурного сцепления. При всех прочих рав-
ных условиях сопротивляемость сдвигу сыпучих грунтов в сильной сте-
пени зависит от плотности и возрастает с увеличением последней, однако
с учетом одной весьма важной оговорки, связанной с возможностью раз-
уплотнения грунта при его деформации (см. далее). Вместе с тем, за исклю-
чением особых случаев, касающихся воздействия на грунт динамических
нагрузок (рассматриваемых далее), со-
противляемость сдвигу чистых сыпучих
грунтов, например песков различной
крупности, гравия, гальки, щебня и т. д.,
лишь в очень слабой степени, не имею-
щей практического значения, зависит от
влажности породы.
Применительно к указанным усло-
виям основное выражение (8-2) для зер-
нистых (несвязных) грунтов принимает та-
кой вид:
sw = ptgT/2 + c„, (8-7)
где сусоответственно угол внутрен-
него трения и структурное
сцепление в породе при дан-
ной плотности (по пористости
п) грунта.
Эта зависимость линейного характера
носит имя французского ученого Кулона
(XVIII в.), впервые установившего ее для сыпучих грунтов.
В графической форме зависимость (8-7) для некоторого частного слу-
чая показана на рис. 8-2.
Структурное сцепление сп в зернистых грунтах возникает лишь при
высокой плотности и компактности грунта и преимущественно при малой
его однородности и обусловливается главным образом взаимным зацепле-
нием зерен. В связи со специфической природой структурного сцепления
в сыпучих грунтах этот вид сцепления называется «зацеплением». Зацепле-
ние особенно характерно для плотных разнородных по гранулометри-
ческому составу сыпучих грунтов. Заметим попутно, что устойчивость
высоких обрывистых берегов, сложенных песчаными конгломератами (галь-
ки с порами, заполненными песком), часто наблюдаемых на горных реках,
как раз обусловливается в основном высоким, присущим этим грунтам
зацеплением.
В зависимости от указанных выше факторов величина зацепления в
разных условиях варьирует в очень широких пределах. В частности, для
песков зацепление изменяется в пределах от 0 (предельно рыхлое состоя-
90
Вид
Ока-
танность
Круп-
ность зе-
рен
Одно-
родность
Таблица 12
Значение поправочных величин —а>4
(в град) к формуле Hansen'an Landborn’a
Характеристика песков и гравия
Плохо окатанные зерна................ .
Обычные по окатанности зерна ............
Округлые зерна ....... ..................
Очень хорошо окатанные пески ............
Песок ............................. . .
Мелкий гравий ... ................... .
Средний по крупности и крупный гравий
Весьма однородный песок .................
Песок, средний по однородности ....... .
Очень неоднородный песок.................
Плот- В предельно рыхлом состоянии ...................
ность Средней плотности .........................
В предельно плотном состоянии .............
? 2 Та
-1-1
О
—3
—5
О
+ 1
+ 2
—3
О
+3
0
I +6
ние —- пмакс) до 0,3—0,5 кПсм2 (плотные пески). В неоднородных сыпучих
грунтах с включением крупных фракций (песчано-гравелисто-галечнико-
вые грунты) зацепление обычно более высоко и в ряде случаев достигает
1 и даже 2 кГ/см2. Угол внутреннего трения повышается с увеличением
содержания в грунте крупных включений, уменьшением окатанности
слагающих породу зерен и увеличением его плотности. Для оценки воз-
можного влияния на величину угла для песков и гравия указанных
выше факторов Hansen* и Landborn дают следующую эмпирическую фор-
мулу:
<рп = 30° Д <₽! + ср2 + Фз Д ф4.
Значения поправочных величин ф4 в этой формуле даны в табл. 12.
При переходе от очень плотной укладки песка к рыхлой угол внутреннего
трения может уменьшаться на 7—12 и даже 15°.
В зависимости от указанных выше факторов угол внутреннего трения
сыпучих грунтов варьирует в широких пределах — от 24 до 45° и выше.
* В г i п с h Hansen. Hauptproblemen der Bodenmechanic. Berlin, 1960.
91
В качестве примера изменения угла внутреннего трения некоторой разно-
видности очень слабо окатанного песка приводится рис. 8-3.
Мы неоднократно отмечали, что сопротивляемость сдвигу сыпучих грун-
тов повышается с увеличением их плотности. Однако такое положение яв-
ляется справедливым лишь при отсутствии возможности их разуплотне-
ния при деформации, вызванной воздействием сдвигающего напряжения.
Такая деформация может сопровождаться выходом зерен, слагающих по-
роду, из своих гнезд, где они находились при плотном состоянии грунта,
Рис. 8-3. Зависимость угла внутренне-
го трения слабоокатанного среднезер-
нистого каракумского песка от его
пористости п
и подъемом поверхности его толщи.
Указанное положение иллюстрирует-
ся рис. 8-4. Здесь тнаиб отвечает на-
ибольшей сопротивляемости сдвигу,
которую может развить плотный сы-
пучий грунт при малой деформации
сдвига (смещение образца). При
дальнейшем его смещении сопротив-
ляемость грунта сдвигу в связи с
прогрессирующим его разуплотнени-
ем падает и достигает, наконец, сво-
ей предельной величины тпр, отвеча-
ющей примерно сопротивляемости
сдвигу грунта в предельно рыхлом
состоянии при значительной дефор-
мации. Следует отметить, что соп-
ротивляемость сдвигу сыпучих грун-
тов в таком состоянии прогрессивно
возрастает в связи с ростом деформа-
ции сдвига за счет увеличивающейся в этом случае их плотности.
Таким образом, оказывается, что мы имеем право использовать повы-
шенные значения и сс для плотных сыпучих грунтов лишь в тех случаях,
когда описываемый характер деформации толщи по местным условиям
исключается. Примесь к сыпучим грунтам глинистого материала ведет
к снижению величины угла внутреннего трения, но одновременно к повыше-
нию значения в сопротивляемости сдвигу связности Здесь уже приоб-
ретает практическое значение и степень увлажнения породы. В определен-
ных обстоятельствах, как указывается далее, этот последний фактор, в
особенности применительно к наиболее тонкозернистым разностям сыпу-
чих грунтов, может приобретать существенное значение и при отсутствии
в породе глинистых частиц.
Влияние степени увлажнения пород. Плывуны. На рис. 8-5 приводится
график изменения угла внутреннего трения образца грунта с весьма тон-
ким составом в зависимости от степени его увлажнения. Доминирующее
влияние в составе грунта имела фракция пыли (0,05—0,005 мм). Вспом-
92
ним, что грунты с содержанием глинистых фракций менее 3%, пйлеватых
более 50% и песчаных менее 50% мы называем алевритовыми
или мучнистыми).
Из рис. 8-5 явствует, что до некоторой определенной влажности (по-
рядка 34%) угол внутреннего трения практически не изменяется и равен
примерно 30°. Далее, по мере перенасыщения породы водой угол внутрен-
него трения приобретает ясно выраженную тенденцию к резкому умень-
шению (до 14° и ниже).
Описываемое положение является прямым следствием утолщения при
переувлажнении породы гидратных оболочек на частицах с прогрессирую-
щим нарушением и уменьшением числа непосредственных контактов между
Рис. 8-4. Характер деформации сдви-
га (смещение X). Гравелисто-песчаный
грунт k
Рис. 8-5. Падение угла внутреннего
трения срл при избытке увлажнения
пылистого грунта
самими минеральными частицами. В результате — уменьшение угла
внутреннего трения и сопротивляемости породы сдвигу s,t.
В практике мы особенно часто сталкиваемся с подобными явлениями
при резком разуплотнении подобных грунтов и малой нагрузке. Поэтому
описываемый процесс в первую очередь обычно захватывает поверхност-
ные горизонты на дне котлованов и затопленных откосов, что часто приво-
дит к оплыванию последних. Еще в более резкой форме он проявляется
в так называемых плывунах, т. е. в грунтах, легко переходящих в разжи-
женное текучее состояние. Плывуны обычно бывают представлены наибо-
лее тонкозернистыми песками или пылистыми породами. Различаются псев-
доплывуны и истинные плывуны (по А. Ф, Лебедеву, 1935 г.). Характер-
ной особенностью обеих разновидностей плывунов является их большая
подвижность. В определенных обстоятельствах они ведут себя подобно
тяжелой вязкой жидкости. Очевидно, что такое состояние связано во всех
случаях с полной потерей грунтами своей прочности с падением сопротив-
ляемости их сдвигу вплоть до нуля. Однако природа этого явления в псев-
93
доплывунах и истинных плывунах является различной. Сопротивляе-
мость сдвигу псевдоплывунов во всех их состояниях описывается выраже-
нием (8-7):
sPn = Ptg
Переход псевдоплывунов в текучее состояние во всех случаях сопро-
вождается их разрыхлением с потерей структурного сцепления и ликвида-
цией действующих в грунте сил внутреннего трения за счет снижения до
нуля роли нормального напряжения. Это может возникнуть в связи с динами-
ческим воздействием на грунт, а также взвешивающим фильтрационным
давлением (см. гл. 27). С этой точки зрения к псевдоплывунам могут быть
отнесены любые по крупности рыхлые сыпучие несвязные грунты, перехо-
дящие в текучее состояние при снижении по тем или иным причинам нор-
мального напряжения до нуля.
Иначе этот процесс протекает у истинных плывунов, которые по грануло-
метрическому составу занимают переходное положение между тончайшими
пылеватыми песками и глинистыми грунтами. При этом условии на части-
цах, слагающих породу, возникают водно-коллоидные оболочки с присущи-
ми им свойствами. При достаточно плотном сложении в грунте возникает
некоторая связность возможно также слабое проявление жестких
структурных связей сс. Однако плывуны имеют все же достаточно
грубый состав, и поэтому водно-коллоидные оболочки на частицах,
слагающих породу, оказываются относительно маломощными и слабыми
по своей связующей способности. В силу этого при относительно невысокой
нагрузке коллоидные оболочки легко прорезаются, обеспечивая непосред-
ственный контакт между минеральными частицами.
Отсюда мы можем заключить, что сопротивляемость сдвигу истинных
плывунов в плотном состоянии (объемный вес до 2,2 Т/м3 при пористости
п =24-ь25%) может быть описана основным выражением (8-2).
Spw = Ptg -Ь + ес.
Однако при механическом нарушении структуры истинных плывунов
картина резко меняется: благодаря насильственному разъединению и взаим-
ному удалению частиц породы в ней прежде всего нарушаются жесткие
структурные связи сс, если они ранее имели место.
С увеличением расстояния между частицами ослабляется связующее
воздействие межмолекулярных связей. При этом резко снижается связ-
ность Непосредственный контакт между частицами исчезает, что при-
водит к значительнейшему снижению угла внутреннего трения, а следо-
вательно, и к резкому падению сопротивляемости сдвигу истинных плы-
вунов (в некоторых случаях вплоть до нуля).
Таким образом, в состоянии природной плотности истинные плывуны
могут характеризоваться относительно высокой прочностью и несущей
94
способностью, но при нарушении их структуры и разуплотнении они пол-
ностью теряют свои положительные качества и переходят в текучее состоя-
ние. Такое состояние может возникнуть в результате сотрясения, вибра-
ции, при принудительном перенасыщении водой в количествах, превышаю-
щих объем пор в породе (например, при напоре подземного потока или
фильтрационном режиме). Обычно критическая влажность истинных плы-
вунов близка к 15—17%.
По А. Ф. Лебедеву, особая «злостность» наших северных плывунов
обусловливается защитным коллоидом органического состава (связанным
по своему происхождению с торфяни-
ками), способствующим отчетливому
протеканию процесса потери истинны-
ми плывунами своей прочности с пе-
реходом в текучее состояние.
Рис. 8-6. Схема стабилометра
для изучения прочности грунтов
в трехосном напряженном состо-
янии:
1 — манометр; 2 — поршень; 3 — цилиндр
из прозрачного материала; 4 — простран-
ство, заполненное жидкостью; 5 — рези-
новая рубашка; 6— образен грунта; 7—
трубка; 8 — кран для отвода воды, от-
жимаемой из образца; 9 —- бюретка для
измерения изменения объема образца
полностью водонасыщенного грунта; 10—
уровень воды; И — трубка от насоса;
12 — кран
Рис. 8-7. Стабилометр конструкции
Е. И. Медкова
Определение показателей сопротивляемости сдвигу сыпучих (несвяз-
ных) грунтов в трехосном напряженном состоянии. Сопротивляемость
сдвигу сыпучих грунтов, в особенности с крупными включениями, может
быть наиболее полно и разносторонне изучена в трехосном напряженном
состоянии. Для этой цели созданы специальные аппараты — стабиломет-
ры довольно сложного устройства. Принципиальная схема стабилометра
приведена на рис. 8-6, а общий вид одного из таких приборов конструк-
ции проф. Е. И. Медкова — на рис. 8-7.
95
Сущность испытания в стабилометре заключается в следующем. Обра-
зец грунта, имеющий форму цилиндра с высотой, превышающей его диа-
метр в 2—3 раза, заключают в резиновую рубашку. Далее образец поме-
щают в цилиндр стабилометра, прибор герметически закрывают и к образ-
цу прилагают нагрузку по направлению вертикальной оси со сжимающим
напряжением pi и с одновременным всесторонним обжатием с боков с на-
пряжением р2. Вертикальное давление pi создает приложенная к поршню
прибора сила P=Pi од где о>— площадь сечения образца. Боковое давление
на образец передает жидкость (вода, глицерин), нагнетаемая в цилиндр
стабилометра подтем или иным давлением р2 специальным насосом. Конеч-
ная цель опыта заключается в установлении величины вертикального
сжимающего напряжения рь при котором происходит разрушение (скол)
образца при некоторой величине всестороннего бокового обжатия р2. Опы-
ты могут проводиться в различных вариантах, но чаще всего их осуществ-
ляют при соблюдении одного из следующих условий:
а) при постоянной величине бокового давления р2 и постепенном уве-
личении сжимающего напряжения вплоть до разрушения образца;
б) при постоянной величине вертикального давления и постепенном
ослаблении бокового давления р2 также до разрушения образца.
Наблюдение за разрушением образца ведут визуально через прозрач-
ный цилиндр стабилометра и по специальным приборам, входящим в ком-
плект стабилометра. В обычных условиях в стабилометрах испытывают
образцы диаметром 5—7 см при высоте 15—20 см. Однако при исследова-
ниях образцов сыпучих пород с крупными включениями (песчано-граве-
листые грунты с включением гальки и даже булыжников) применяют ста-
билометры значительно большего размера. Для подобных испытаний
существует требование, чтобы диаметр образца был в пять раз больше наи-
более крупного включения.
Следующей стадией эксперимента является определение по получен-
ным критическим значениям р1кр и р2кр, отвечающим разрушению образца,
величин угла внутреннего трения и зацепления сп с последующим рас-
четом spn по формуле (8-7)
Spn=P4^n^Cn.
Для этой цели используют построение кругов напряжений Моора, пред-
полагая, что момент разрушения образца в стабилометре отвечает состоя-
нию его предельного равновесия при обжатии со всех сторон под воздей-
ствием главных напряжений р1кр и р2кр.
Рассмотрим сначала случай предельно рыхлого состояния сыпучего
грунта, когда зацепление в грунте отсутствует и поэтому выражение (8-7)
соответственно упрощается:
spn = ptg (p„. (8-8)
96
Очевидно, что предельная кривая, огибающая круги напряжений, по-
строенные на напряжениях р1кр и р2кр при соблюдении указанного выше
условия, будет представлять собой прямую, отвечающую в координатных
осях spn=f(p) уравнению (8-8), характеризуемую угловым коэффициентом
tg ф и проходящую через начало координат. При этом условии прямая
для рассматриваемого случая предельного равновесия будет отходить
от оси абсцисс под углом, равным углу внутреннего трения грунта
На рис. 8-8 нанесены три
круга напряжений — А, Б и В.
Круги А и Б имеют точку каса-
ния с предельной прямой. Нап-
ряжения pi и р2, а также р\ и
р'2, на которых построены эти
круги, численно попарно раз-
личны. Однако исходя из усло-
вия касания предельной пря-
мой отвечающее им состояние
образцов в обоих случаях долж-
но быть признано предельным,
а сами напряжения — критиче-
скими (Р1кр И р2кР; р'1кр ир^кр).
Круг В построен на напряжени-
ях р\ и р%, значительно более
высоких, чем соответствующие
Рис. 8-8. Круги напряжений для рыхлого
сыпучего грунта (cn= 0):
круги А и Б отвечают грунту в состоянии пре-
дельного равновесия; круг В— то же, в состоянии
упругого равновесия (допредельное состояние)
им напряжения ptn р2, а также
р'i и р' 2. И все же, несмотря на
это, в связи с отсутствием каса-
ния круга В с предельной пря-
мой образец грунта должен
быть признан в состоянии упругого равновесия, далекого от его разру-
шения.
Из вышеизложенного, а также из рис. 8-8 следует, что разрушение
образца в трехосном напряженном состоянии может наступить и при мень-
ших значениях pi и р2. Отсюда становится очевидным, что разрушение
образца в трехосном напряженном состоянии наступает лишь при опреде-
ленном соотношении главных напряжений Pi и р2.
Обратимся к рис. 8-9. Исходя из принципа построения кругов напря-
жения Моора мы имеем:
а) диаметр круга напряжений D =р1кр—р2кр и соответственно его ра-
диус
R = KC
Р1кр ' Рэкр
4 Заказ № 549
97
2
б) длина отрезка ОС, определяющего положение, центра С круга на-
пряжения
ОС' — Ракр
Из прямоугольного треугольника ОКС имеем
sin<p„ == = . (8.9)
ОС Р1кр “4~ Ракр
Это уравнение имеет важное значение в механике грунтов, Решая урав-
нение (8-9) относительно р1кр, получим
Рис. 8-9. Расчетная схема определе-
ния предельного соотношения piitp
и Рзкр
Подставив в эту зависимость
sin 90° вместо единицы, мы можем
рассматривать дробь правой части
выражения как отношение суммы
синусов к их разности, которое,
как известно из тригонометрии,
может быть преобразовано следу-
ющим образом:
sin 90° Щ sin ср/г tg (45° Щ ср/2)
sin 90° — sin tg (45° — ср/2)
= tg2 (45° щ ф/2),
отсюда
Р1кр = P2Kptg2 (45° +ф/2). (8-11)
Следовательно, при заданной
величине р2кр разрушение образца
под вертикальной нагрузкой, вызывающей напряжение может произойти
лишь по достижении последней своего значения по выражению (8-11).
С изменением р2кр} естественно, будет возрастать или падать значение
Р1кр. Таким образом, возникает принципиально очень простой способ опре-
деления угла трения для рыхлых сыпучих грунтов (сп =0) в трехосном
напряженном состоянии и по отдельным взаимно связанным значениям
Р1кр и РзкР- В этом случае строят описанным выше способом круг напряже-
ний Моора и через начало координат проводят к нему касательную. Угол,
образуемый касательной с осью абсцисс, будет равен углу трения Для
проверки правильности определения угла внутреннего трения полезно
найти его при разных значениях критических напряжений. Однако такое
решение для общего случая нельзя считать полноценным, так как заранее
98
очень трудно утверждать, что грунт находится в состоянии предельного
разрыхления, при котором структурное сцепление-зацепление равно нулю.
Общий случай отвечает зависимости (8-7), для практического использова-
ния которой необходимо знать два неизвестных: угол внутреннего трения
qn и зацепление су. Величины этих двух показателей определяют эксперимен-
тально последовательным проведением описанным выше образом двух опы-
тов на двух образцах породы с одинаковой заданной плотностью (по порис-
тости).
Оба эти опыта различаются лишь исходными значениями бокового
давления р2кр и р2кр и, следовательно, критическими (разрушающими)
Само собой понятно, что в данном
вертикальными нагрузками р1кр и ркр.
случае необходимо построить
уже два круга напряжений (рис.
8-10). В данном случае касатель-
ная к обоим кругам отсечет на оси
ординат некоторый отрезок. Урав-
нение этой касательной отвечает
нашей основной зависимости (8-7)
для сыпучих (несвязных) грун-
тов, т. е.
%рп = Ptg + сп.
Очевидно, что в данном слу-
чае касательная составит с го-
ризонтальной осью координат
угол, равный углу внутреннего
трения ®п, и вместе с тем от-
сечет на оси ординат отрезок сп
(свободный член линейного урав-
нения). Продолжение касательной
влево вплоть до пересечения с
осью абсцисс.
Рис. 8-10. Эпюра кругов напряжений
для случая сп =f= 0
даст нам на этой оси отрезок
сп
(8-12)
Выражения предельного состояния (8-9) и (8-11) сохраняют свои зна-
чения и в данном случае при условии переноса начала координат влево
на величину —.
Следовательно, в данном случае расчетное значение каждого из глав-
ных напряжений pj и р2 увеличивается на одну и ту же величину
т. е. мы будем иметь:
сп
99
Pl кр. расч ^1кр + tg Ср (8-13)
P2 кр. расч = Р-2кр + tg • (8-14)
Учитывая это, мы можем переписать уравнения (8-9) и (8-11) в следую-
щем виде:
sin ср = -----; (8-15)
। О
Р1кр Д- р2кр Н- 2 “tg
Р1КР = Рзкр tg2 ( 45° 4- + 2с„ tg ( 45° + . (8-16)
Очевидно, что за счет сцепления-зацепления разрушение образца при
том же боковом давлении р2 и прочих равных условиях должно наступать
при более высоких вертикальных нагрузках рх.
Рис. 8-11. Схема опыта с
прямым сдвигом образца:
а — обойма прибора; б — обра-
зец; d — зазор; Р — обжимающая
и Q — сдвигающая силы
Рис. 8-12. Графическое определение по-
казателей срл и сп при опыте с прямым
сдвигом образца
Несмотря на видимую простоту испытания грунтов в трехосном напря-
женном состоянии, этот метод в нашей практике еще не нашел широкого
применения главным образом из-за недостаточной надежности самих ста-
билометров, в особенности в отношении герметизации, необходимой для
обеспечения нормальных условий приложения к образцу бокового давле-
ния. Кроме того, раздавливание образца в стабилометре недостаточно
точно моделирует явления сдвига грунта в натуре.
Определение показателей сопротивляемости грунтов в условиях прямого
сдвига образца. В нашей практике чаще всего сопротивляемость сдвигу
определяют на обычных приборах со сдвигом образцов. На рис. 8-11 приво-
100
дится схема этого прибора и испытания. Основой этого прибора являются
две не связанные между собой обоймы с гнездом для образца. Грунт с за-
данной плотностью (по пористости п) помещают в гнездо и прилагают к
нему вертикальную нагрузку Pi. Сдвигающая нагрузка СД приклады-
вается к верхней обойме прибора, что в значительной мере исключает
случайные результаты опыта при наличии в образце мелких включений.
При площади сечения образца ш мы в этом случае имеем нормальное сжи-
Л <2,
мающее напряжение и сдвигающее напряжение 1^ = .
Задавшись некоторой постоянной величиной ръ постепенно повышают
сдвигающее напряжение тд вплоть до его критического значения ткр, от-
вечающего сдвигу образца, фиксируемому специальными приборами —
мессу рами. При этом условии критическое сдвигающее напряжение ткр
отвечает сопротивляемости грунта сдвигу Sj при нагрузке pi. Далее опыт
повторяют уже при другой, обычно более высокой нагрузке и определяют
новое значение s2. Составляя и совместно решая два уравнения с двумя
неизвестными
S1=pltg%+^ 1
s2 = p2tg<pw + c/;, J
находят интересующие нас величины уп и сп. Для контроля опыт обычно
производят при трех нагрузках: plf р2 и р3.
На практике аналитическое решение этой системы уравнений обычно
заменяют графическим (рис. 8-12), для чего строят график в координат-
ной системе s^f(p) с одинаковым масштабом напряжений по оси абсцисс
(р) и ординат (sp). На график наносятся определен-
ные опытом величины sb s2, s3 и s4. Через эти точ-
ки проводят прямую линию и измеряют угол ее на-
клона к горизонту, отвечающий значению угла внут-
реннего трения, и отрезок на оси ординат, отсекае-
мый построенной прямой. Таким образом определя-
ется сцепление-зацепление сп грунта. В зависимости
от крупности включений в породе используются
приборы с различным размером образцов и пло-.
щадью сечения от 20 см2 до 1 м2.
Дальше приводятся некоторые конструктивные
данные о приборе для определения сдвига с диа-
метром испытываемого образца 7 см, применяемом
для испытания на сдвиг образцов как глинистых, так
(см. ниже рис. 8-25).
Рис. 8-13. Схема к
определению угла
внутреннего трения
по углу сро естест-
венного откоса сыпу-
чего грунта
и песчаных пород
Угол естественного откоса сыпучих грунтов. Говоря о методах определе-
ния угла внутреннего трения для рыхлых сыпучих грунтов, нельзя
обойти вопрос об угле естественного откоса грунта о0. Углом естественного
101
откоса мы называем угол, образуемый линией свободно стоящего откоса
отсыпанного грунта с горизонтом (рис. 8-13). Выделим на откосе с углом
к горизонту ср0 некоторый элемент с весом Р. Разложим эту силу на две
составляющие: нормальную N и касательную Q:
yV = Pcos(p0; (8-18)
Q = Psincp0. (8-19)
Под воздействием силы N по контактной поверхности выделенного
блока и откоса развиваются силы трения
У = >tg <р/г = Р cos <p0 tg %. (8-20)
Рис. 8-14. Прибор В. Г. Наумен-
ко для определения угла естест-
венного откоса песка
По мере увеличения угла наклона от-
коса степень устойчивости выделенного
элемента на поверхности откоса будет
уменьшаться. При некотором значении уг-
ла откоса у0 элемент будет находиться в
состоянии предельного равновесия—T=Q,
т. е.
Pcoscp0tg<pZ2 = Psincp0. (8-21)
Произведя необходимые сокращения
и преобразования, получим
= = <8'22)
отсюда
Фо = Ф„« (8-23)
Таким образом, для сыпучего грунта в
рыхлом состоянии угол с горизонтом сво-
бодно отсыпанного откоса (угол естест-
венного откоса) оказывается раеен углу
внутреннего трения.
Возникает вопрос об определении угла естественного откоса. В естест-
венных условиях угол ф0 определяется прямым замером, например, при
отсыпке грунта в конус; в лабораторных условиях для этой цели применяют
те или иные приборы. Автором одного из наиболее удачных приборов
(рис. 8-14) является В. Г. Науменко. Здесь угол ф0 грунта в сухом и затоп-
ленном состоянии измеряется по откосу, остающемуся после удаления
избыточных масс грунта. Для правильного определения угла естественного
откоса это условие является решающим.
102
В заключение отметим, что равенство угла естественного откоса углу
внутреннего трения грунта справедливо лишь для грунтов, полностью
лишенных связности и сцепления. Более крутые откосы других грунтов
являются прямым следствием проявления сил сцепления и связности,
и в этих условиях зависимость (8-23) теряет свой практический смысл. По
этой причине нельзя определять угол внутреннего трения влажных песков
и тем более глинистых грунтов по углу естественного откоса в масштабе
лабораторных опытов.
Ориентировочные значения расчетных величин углов внутреннего тре-
ния важнейших сыпучих (несвязных) грунтов с окатанными зернами при-
водятся в табл. 13. Для средних условий угол внутреннего трения для
песков может приниматься равным 30°.
Таблица 13
Расчетные значения углов внутреннего трения сыпучих (несвязных) грунтов
Наименование песка Угол внутреннего трения срл, град
НИЗКОЙ плотности средней плотности
Тонкозернистый пылеватый 26 28
Мелкозернистый . 26 30
Среднезернистый 28 32
Крупнозернистый 30 34
С гравием и галькой ................ 32 36
Сопротивляемость сдвигу глинистых грунтов
Общая характеристика. В зависимости от происхождения, условий
формирования, состава, а также в зависимости от состояния плотности-
влажности (в—ш) глинистые грунты могут быть подразделены на следующие
основные группы: жесткие, скрытопластичные (или псевдопластичные),
пластичные.
В зависимости от природных особенностей этих разновидностей глинис-
тых грунтов соответствующим образом изменяется и выражение их со-
противляемости сдвигу, имеющее в общей форме вид (8-2):
Spw = р tg фда + + Сс.
К жестким глинистым грунтам мы относим обычно древние, в
той или иной степени сцементированные коренные (дотретичные) породы.
Такие породы, как правило, характеризуются повышенной прочностью.
Связность жестких глинистых грунтов при сохранении структуры
103
обычно оказывается подавленной структурным сцеплением сс и в этом
случае их угол внутреннего трения у лишь в слабой степени зависит от
степени увлажнения породы. Сопротивляемость сдвигу жестких глинистых
грунтов в соответствии с приведенной выше их характеристикой описыва-
ется следующей зависимостью:
sp = ptgcpy-cc. (8-24)
Эта зависимость в графической форме иллюстрируется рис. 8-15. При
возрастающей роли структурного сцепления сс значение сил внутреннего
Нормальное напряжение р^г/а-н
Рис. 8-15. Сопротивляемость сдвигу
жесткого глинистого мергеля (&упр
= 26%, LL = 75% и PL = 25%)
реннего трения превалирующее
Sw и меньшее — структурное
трения в прочности пород постепенно
падает. Порода в этом случае приобре-
тает свойства скалистой. Сопротивляе-
мость скалыванию (сдвигу) таких пород
описывается следующим наиболее про-
стым выражением:
sc = сс. (8-24')
Очевидно, что сопротивляемость сдви-
гу, или, правильней сказать, сопротив-
ляемость скалыванию таких пород при
относительно невысоких нагрузках,
оказывается практически независимой
от величины нормального напряжения.
В скрытопластичных гли-
нистых грунтах наряду с силами внут-
значение получает связность породы
сцепление сс. Общая сопротивляемость
сдвигу spW таких пород обычно в большой мере зависит от степени увлажне-
ния (консистенции) грунта. Отсюда очевидно, что для характеристики
сопротивляемости сдвигу скрытопластичных глинистых грунтов также
должна быть использована общая формула (8-2), т. е.
Spw = ptg Сс.
Обозначив сумму двух свободных членов этого выражения через общее
сцепление cw, или
cw = + %, (8-25)
мы можем переписать формулу (8-2) в следующем, часто используемом
на практике виде:
spw = ptgqw + cw. (8-26)
Зависимость (8-26) в графической форме приводится на рис. 8-16. По
своей форме этот график однотипен с графиком рис. 8-2, с той лишь разни-
104
цей, что здесь, как и во всех других случаях, применительно к глинистым
породам принимается не просто плотность (пористость,) а плотность-влаж-
ность w грунта. Угол внутреннего трения для каждого состояния влаж-
ности ( мд—мд) грунта определяется углом наклона прямой spw =ft(p) к
оси абсцисс. Величина общего сцепления cw для этих же влажностей по-
роды определяется по
величине отрезка, отсе-
каемого этой прямой
spw = /i(P) на оси орди-
нат.
Найдя таким обра-
зом величины сро?! и cWi
при различной влажно-
сти грунта, мы можем
построить по этим дан-
ным весьма удобный для
практического исполь-
зования график зависи-
мостей угла внутренне-
го трения <pw и общего
сцепления cw от влаж-
ности w (рис. 8-17).
Зависимость cw=
=f2(w) позволяет найти
для каждого значения
влажности w отвечаю-
щую ей связность поро-
ды по разности:
Рис. 8-16. Сопротивляемость сдвигу spw = f (р) древ-
нелагунных суглинков как пример скрытопластпчной
глинистой породы (из материалов А. П. Фадеевой):
1 2 3 4 5
Влажность w, % . . Угол внутреннего 20 25 30 35 40
трения <pw, град . . . 24=54' 21° 18=30' 16=45' 14=30'
Общее сцепление с,.,, кГ/см? ..... W ‘ 0,34 0,28 0,24 0,20 0,18
£ = г —- с
w -'W ЬС‘
(8-27)
Здесь величина сс определяется экстраполяцией кривой cw = /2(йуЬ имея
в виду, что структурное сцепление сс не зависит от влажности и остается
постоянным при всех ее значениях.
Оба графика (рис. 8-16 и 8-17) относятся к данным испытания пол-
ностью водонасыщенного грунта (6^1,0).
Как показали исследования В. Д. Казарновского*, указанные законо-
мерности сохраняют свое значение и для глинистых грунтов с коэффициен-
том водонасыщения ниже единицы (G< 1,0), однако с обязательным учетом
не только влажности, но и плотности грунта. Причем оказалось, что угол
трения для таких грунтов в отличие от общего сцепления cw нередко
* В. Д. Казарновский. Учет сопротивляемости грунтов сдвигу при про-
ектировании дорожной конструкции. Азтотрансиздат, 1962.
105
оказывается независимым от плотности грунта и определяется лишь его
влажностью (рис. 8-18 и 8-19). Применительно к скрытопластичным разновид-
ностям глинистых грунтов графики вида рис. 8-17 и 8-19 имеют исключитель-
ное практическое значение, так как позволяют устанавливать расчет-
ные значения показателей углов внутреннего трения и общего сцепле-
ния cw для данного грунта в любых состояниях его плотности-влажности.
Таким образом оказывается, что отличительной особенностью скрытоплас-
тичных глин является их зависимость
сопротивляемости сдвигу от нагрузки и
плотности-влажности.
К пластичным глинистым
грунтам относятся молодые тяжелые
суглинки и тем более жирные глины,
обычно в мягкопластической консис-
тенции. В таких грунтах водно-колло-
идные оболочки настолько развиты, что
исключается возможность непосредст-
венного (минерального) контакта меж-
ду частицами. По этой причине силы
Рис. 8-18. Зависимость сопротив-
ляемости сдвигу легкого пылева-
того суглинка от нормального
давления при некоторых посто-
янных значениях влажности и
различной плотности:
1 — 7СК =1,76 г/см3; 2 — 7СК= 1,67 г/см3;
3 —- 1,59 г/см3; 4 — -fCK = 1,70 г/см3; 5 —
Тск =1,52 в/см3; 6 — 7СК = 1,34 г/см3.
Сплошные линии — влажность 13,7% и
угол трения у =32°; пунктирные —
влажность 19,2% и у = 20° (из материа-
лов В. Д. Казарновского)
влажность iv. %,
Рис. 8-17. Зависимость угла внутреннего
трения и общего сцепления cw от влаж-
ности w породы для древних суглинков (из
материалов А. П. Фадеевой)
трения между частицами ничтожны (практически близки или равны ну-
лю), и, следовательно, коэффициент трения и угол трения имеют нулевые
значения (уда=0). Очевидно, что при этом условии сопротивляемость
сдвигу пластичных глин оказывается независимой и от нагрузки. Вместе
с тем вследствие относительно молодого возраста рассматриваемых глинис-
тых грунтов структурное сцепление в пластичных глинистых грунтах
обычно не находит своего выражения и поэтому для таких грунтов сс=0.
106
Таким образом, сопротивляемость сдвигу пластичных глинистых грун-
тов в наиболее краткой форме может быть выражена как
(8-28)
Из этого следует, что сопротивляемость сдвигу пластичных глинистых
грунтов определяется лишь их связностью и при данной влажности не
зависит от нагрузки. Такое свойство
ляется их отличительной особен-
ностью (рис. 8-20 и 8-21). Графики
составлены по данным одного и то-
го же испытания, но построены в
разных координатах.
Скрытопластичные .и пластич-
ные глинистые грунты. При опре-
делении сопротивляемости сдвигу
пластичных и тем более скрыто-
пластичных глинистых грунтов
положение несколько осложняет-
ся. В выражениях (8-2) и (8-27)
значения углов внутреннего трения
связности Ew и общего сцепле-
ния cw подлежат определению
пластичных глинистых грунтов яв-
Рис. 8-19. Зависимость сцепления легкого
пылеватого суглинка (по рис. 8-18) от коэф-
фициента водонасыщения и влажности w:
7-^ = 8,9%; 2 — w = 13,7%; 3 —ву = 15,9%;
4 — w= 19,2% и 5 — w = 25,8%
применительно к той или иной
влажности породы.
Опытное определение зависи-
мостей spw=f1(p) и sw = Д(р) ДЛЯ
различных значений влажно-
сти породы, позволяющих
согласно рис. 8-16 и 8-17, а
также рис. 8-20 и 8-21 уста-
навливать интересующие нас
зависимости /3(со); cw =
=/4М и идет по-
средством ряда опытов под
разными нагрузками —-
р2, ... , рп. При этом образ-
цы породы под данными на-
грузками выдерживаются и,
следовательно, обжимаются
различное по длительности
время.
Фиксация плотности-
влажности образцов, отвеча-
Норма/JbHoe напряжение р нг/см-
Рис. 8-20. Сопротивляемость сдвигу sw = /(р)
тяжелых пластичных ириклинских суглинков
(?w ~ 0)
107
Рис. 8-21. Сопротивляе-
мость сдвигу sw и связ-
ность пластичных тя-
желых ириклинских
суглинков в функцио-
нальной зависимости от
влажности w породы
Рис. 8-22. Сопротивляе-
мость сдвигу spw скры-
топластичных глинис-
Вертикальная нагрузка р, кГ/см2
а — в зависимости от влаж-
ности -w; б — в зависимости
от нагрузки р; в — зависи-
мости углов трения и об-
тых пород:
ности породы W
щего сцепления с от влаж-
ющей тому или иному критическому сдвигающему напряжению, произ-
водится по образцам, взятым из зоны сдвига после опыта.
Дальнейшая обработка результатов опыта для скрытопластичных гли-
нистых грунтов, характеризующихся наличием в них сил внутреннего тре-
ния (<pw=^=0), идет в соответствии с рис. 8-22. Первым этапом этой обработки
является составление графика по рис. 8-22,ц с нанесением на него точек
s/?w=/(^), полученных при испытаниях для разных нагрузок р. Далее
график по рис. 8-22,а преобразуют в график 8-22,6. Это преобразование
для линии ^=20% показано пунктиром. График 8-22,6 представляет
собой зависимость spw=f(p). Дальнейшая обработка результатов опыта
идет уже известным нам порядком с определением значений и cw приме-
нительно к той или иной влажности w и заканчивается построением гра-
фика ®w=^f3(w) и cw=/4(&') согласно рис. 8-22, в.
При испытании образцов пластичных глинистых грунтов точки зави-
симости sw=/(&y), отвечающие по-прежнему влажности образцов w из зоны
сдвига, для разных значений нагрузок р2, ... , рп ложатся на одну кри-
вую (см. рис. 8-21). Тем самым подтверждается независимость сопротив-
ляемости sw сдвигу пластичных глинистых грунтов при некоторой опреде-
ленной влажности от нагрузки р и, следовательно, справедливость самого
выражения (8-28) sw=Ew. При этом условии, естественно, зависимости
sw = fi(w) и Sw=/2(^) совпадают, и кривая рис. 8-21 может одновременно
служить и для определения сопротивляемости сдвигу sw и связности
применительно к той или иной влажности породы.
Располагая данными по зависимостям <?да=/з(^) и cw=h (^), например,
в виде графиков рис. 8-17 и 8-22, в, мы легко можем найти значение сопро-
тивляемости скрытопластичных глин при той или иной влажности w для
различных нагрузок р по известному уже нам выражению (8-26)
Spw ~~~ Ф W W •
Чтобы построить графики зависимостей yw=/3(^) и сщ=/4(ш) для скры-
топластичных глин, требуется испытать на сдвиг не менее 9, а лучше 12
образцов. Это оправдывается тем, что при испытании грунтов описанным
методом дальнейшего осреднения результатов опытов не требуется.
При проведении опытов другими методами неизбежно осреднение опыт-
ных данных, что требует не меньшего числа опытных определений и, сле-
довательно, образцов для опытов на сдвиг. Обработка результатов опытов
по описываемой методике плотности-влажности в значительной мере облег-
чается логарифмическим характером зависимостей иsw=f2'w).
Эта закономерность, установленная Г. А. Андреевым и подтвержденная
В. Д. Казарновским, позволяет апроксимировать результаты опытов пря-
мой линией при построении графика в полулогарифмической системе коор-
динат, тем самым сокращается потребное число опытных определений,
уточняется построение последующих графиков и оправдываются широкие
109
экстерполяции. Однако иногда возникает необходимость определения
сопротивляемости сдвигу как скрытопластичных, так и пластичных гли-
нистых грунтов в предельном для данной нагрузки состоянии плотности-
влажности. Такую влажность, отвечающую некоторой определенной на-
грузке р, мы называем эквивалентной и обозначаем через шр. Характер
изменения эквивалентной влажности по зависимости wp=f (р) иллюстриру-
ется рис. 8-23. Используя по-
добные и приведенные ранее
графики, мы всегда можем
установить сопротивляемость
грунта сдвигу spW и sw для
эквивалентной влажности wp
грунта при той или иной на-
грузке соответственно по вы-
ражению (8-26) для скрыто-
пластичных глин или по
выражению (8-28) для плас-
тичных глин. Однако для
указанной цели чаще исполь-
зуется иной прием. В этом
случае образцы грунта, при-
готовленные для испытания,
предварительно обжимаются
до эквивалентного состояния
плотности - влажности шр
Рис. 8-23. Эквивалентная влажность wp в фун-
кциональной зависимости от нагрузки р (иол-
диевая глина)
Рис. 8-24. Наложение графика зависимости
s — /1(р) на график зависимости spw = fz(p). Элю-
вий глинистого мергеля
под теми нагрузками, под
которыми они в дальней-
шем.. будут сдвинуты.
В этом случае, как по-
казывает опыт, зависи-
мость spW=f (р) при относи-
тельно невысоких нагруз-
ках носит линейный ха-
рактер, отвечающий зако-
ну Кулона, т. е.
sp=ptg(p + c. (8-29)
Следует отметить глу-
бокое принципиальное
различие, несмотря на их
внешнее сходство, выраже-
ний (8-26 и 8-29). Пояс-
ним это реальным приме-
110
ром (рис. 8-24). В отличие от выражения (8-26) плотность-влажность грун-
та в выражении (8-29) всегда эквивалентна нагрузке и изменяется в сто-
рону уменьшения при постепенном ее нарастании. Обращает на себя вни-
мание совпадение влажностей w и wp при пересечении наклонной и парал-
лельных линий при тех или иных нагрузках. Это свидетельствует о том,
что для данных грунтов сопротивляемость их сдвигу при данной нагрузке
оказывается равной лишь при одинаковых влажностях образца.
Таким образом, в выражении (8-23) угол ф указывает на интенсивность
нарастания сопротивляемости породы сдвигу не только за счет нагрузки,
но также за счет повышения самой связности Ew, а для скрытопластичных
грунтов и угла внутреннего трения возрастающих с увеличением плот-
ности породы под нагрузкой. В силу этого показатель у, определяемый
с учетом эквивалентной влажности wp в выражении (8-23), следует называть
углом внутреннего трения и связности. Очевидно, что для идеальных пес-
ков это будет просто угол трения, а для идеальных пластичных глин (при
cpw= 0) лишь угол связности.
В ряде случаев сопротивляемость сдвигу скрытопластичных и пластич-
ных глинистых грунтов целесообразно и возможно определять в трехосном
напряженном состоянии в стабилометрах, в частности при изучении со-
противляемости сдвигу обильно увлажненных глинистых грунтовых масс
с нарушенной структурой, используемых как строительный материал-
заполнитель (засыпка пазух береговых устоев мостов, а также подпорных
стенок) или для возведения земляных сооружений (дорожных насыпей,
дамб и т. д.). Очевидно, в данном случае испытываемый материал может
рассматриваться как изотропный, что является одним из основных требо-
ваний для испытания в стабилометре. Как показала В. И. Руденко (МАДИ),
показатели сопротивляемости глинистых грунтов сдвигу, установленные
опытами в стабилометре и в аппарате с прямым сдвигом образцов, будучи
отнесены к одной и той же плотности-влажности породы (обязательное
условие!), являются практически идентичными. Само испытание может
выполняться в двух вариантах:
а) при разрушении образца после полной его консолидации (уплотне-
ния) под данной нагрузкой («открытый сдвиг»);
б) при предотвращенной возможности оттока отжимаемой из грунта
под нагрузкой воды, а следовательно, для водонасыщенных грунтов — без
их дополнительного уплотнения, с сохранением в образцах начальной
плотности-влажности («закрытый сдвиг»).
Обработка результатов этих испытаний идентична описанной ранее.
Использование в инженерных расчетах показателей, отнесенных к со-
стоянию полного уплотнения грунта под нагрузкой, может во многих слу-
чаях оказаться чреватым по своим последствиям. Во избежание таких
просчетов, связанных нередко с грубым преувеличением расчетных пока-
зателей, за рубежом в большинстве случаев используются показатели
111
cpw и установленные испытаниями по методу закрытого сдвига. Однако
эти определения не свободны от ряда погрешностей и, в частности, с не-
учитываемым и все же имеющим место в ряде случаев дополнительным
уплотнением грунта в процессе опыта.
На рис. 8-25 приведен общий вид прибора на сдвиг системы Н. Н. Мас-
лова (в конструктивном оформлении Н. Н. Маслова и Ю. Ю. Лурье), по-
лучившего значительное распространение в нашей стране. Диаметр испы-
тываемого в приборе образца 7 см, площадь поперечного сечения 40 см2.
Рис. 8-25. Общий вид прибора на сдвиг системы Н. Н. Мас-
лова, модель МЛС-46. Сдвиг с наклоном образца
Сдвиг образца для определения двух неизвестных показателей сопротив-
ляемости глинистых грунтов сдвигу (угла внутреннего трения ср и сцепле-
ния с) должен производиться не менее чем под двумя различными нагруз-
ками р. Обычно опыт проводится под тремя и даже четырьмя нагрузками.
Для загрузки образца вертикальной нагрузкой используют металличе-
ские плиты или гири. Сдвигающее усилие прикладывается к образцу двоя-
ко:
а) по схеме сдвига с независимой сдвигающей силой — посредством
специальных рычагов;
б) по схеме сдвига с наклоном образца — за счет касательной состав-
ляющей от вертикальной нагрузки, приложенной к нему (штурвал на рис.
8-25, справа).
Определение значений ср и с при выполнении опыта «с независимой
сдвигающей силой» производится в соответствии с приведенными ранее
указаниями по формуле (8-17) и рис. 8-12. При сдвиге с наклоном интер-
112
претация результатов опыта осуществляется путем решения не менее двух
уравнений вида
tgT +~-- = tgaPi;
Pi
tg ф +-^- = tgaP2.
Р-2
(8-30)
(8-31)
Здесь рл и р2 — нормальные напряжения, при которых производится опыт;
aPj и аР„ — критические углы наклона рабочего цилиндра, при кото-
ром происходит сдвиг, фиксируемый мессурой и замеряе-
мый по специальному транспортиру при разных нагруз-
ках pt и р2.
Рис. 8-26. Ленточная текстура девонских глин в котло-
ване Нижне-Свирской гидростанции
Следует отметить, что при наличии в грунте сцепления критические
углы наклона аР1 и аРз численно равны углам сопротивления сдвигу др.
Для рыхлых сыпучих грунтов (при с=0)
aPi ==аР2= ср. (8-32)
Нередко глинистые грунты характеризуются ленточной текстурой,
при которой более жирные и слабые глинистые прослои чередуются с бо-
лее прочными, менее пластичными и даже песчаными.
В ряде случаев эти прослои, имея толщину в несколько миллиметров
или даже сантиметров, обнаруживаются визуально (рис. 8-26). В других
113
Рис. 8-27. Ленточные пески с
тончайшими прослоями глин
(фото шлифа)
случаях для их обнаружения требуется лупа или даже микроскоп (рис.
8-27). При таких условиях возникает необходимость увеличить щель между
обоймами прибора (до 1,5—2 см) с тем, чтобы обеспечить возможность
сдвига образца по наиболее слабой прослойке или контакту между ними.
В описываемом приборе такая возможность обеспечивается использованием
специальных подъемных винтов. Во избежание раздавливания образца
он снабжается рядом металлических колец шириной в 1 мм. Эти кольца,
работая как обручи, удерживают образец от расплющивания, не фиксируя
в то же время сдвиг по какой-то наперед
заданной плоскости. При испытании об-
разцов увеличенной высоты, в особенно-
сти при проведении опыта с наклоном об-
разца, повышается опасность его перекоса
и даже надрыва. Такая возможность уст-
раняется удлинением посредством особых
винтов плеч загрузочных хомутов для
создания момента обратного знака. Для
наблюдения за деформацией образца во
время испытания используются обычные
индикаторы — мессу ры. Для измерения
тягового усилия в зависимости от дефор-
мации сдвига образца применяется кольце-
вой динамометр. Часто оказывается не-
обходимым установить сопротивляемость
сдвига грунта в контакте с бетоном, де-
ревом, асфальтом, песчаным фильтром и
т. д. В этом случае на образец грунта в нижней обойме прибора накла-
дывается, например, бетонная плашка. Контакт бетона и грунта должен
совпадать с щелью прибора. Исключение из работы грунта его структур-
ного сцепления может быть достигнуто путем испытания на сдвиг образца,
предварительно разрезанного*. Таким образом, представляется возмож-
ность по выражению (8-25) выделить из общего сцепления cw его часть,
представленную связностью Sw. При проведении таких опытов «с плашками
грунта» необходимо смочить поверхность разреза и оставить образец под
нагрузкой на одни сутки для восстановления по этой поверхности связ-
ности грунта £w, нарушенной при приготовлении разрезанного образца.
В заключение следует отметить, что линейный характер зависимости
сопротивляемости грунтов сдвигу от нагрузки сохраняется лишь при отно-
сительно невысоких значениях нагрузки р, обычно в пределах от 0 до
4 кГ/см21. При более высоких нагрузках начинает сказываться закон «тор-
можения» нарастания плотности грунта с увеличением нагрузки. В этом
* Н. Н. М а с л о в. Прикладная механика грунтов. Машстройиздат, 1949.
114
случае зависимость spw= Др) приобретает криволинейный характер с соот-
ветствующим снижением показателей сопротивляемости грунта сдвигу.
В настоящее время при глубоком заложении мостовых опор нагрузки на
грунт значительно возрастают и в ряде случаев достигают 12—15 кПсм? и
более. При подобных обстоятельствах
во избежание тяжелых последствий опы-
ты по определению показателей со-
противляемости грунтов сдвигу надле-
жит проводить при соответствующих
нагрузках.
Жесткие глинистые грунты. Неред-
ко возникает необходимость оценки
прочности глинистых грунтов со зна-
чительной структурной прочностью.
Проведение опытов на сдвиг подобных
грунтов оказывается часто невозмож-
ным не только в аппаратах с прямым
сдвигом (срезом) образцов, но даже и
в стабилометрах вследствие необходи-
мости ограничения нагрузок при их
использовании.
При испытании на сдвиг коренных
глинистых пород с высоким сопротив-
лением может оказаться весьма полез-
ным клиновый прибор системы Г. А.
Андреева (рис. 8-28) с фиксированной
поверхностью среза образца под разны-
ми углами а к горизонту (10, 15 и 40°).
При опыте определяется нормальное
напряжение pt, под воздействием кото-
рого при заданном угле наклона
плоскости среза происходит сдвиг об-
Рис. 8-28. Клиновый прибор
Г. А. Андреева в работе
разца. Дальнейшее определение о и с по данным этого испытания произ-
водится по формулам (8-30 и 8-31).
Во многих случаях для упрощения эксперимента целесообразно испы-
тывать образцы грунтов в одноосном напряженном состоянии путем пря-
мого их раздавливания без бокового обжатия. Этот простой метод испыта-
ния, впервые предложенный и разработанный проф. Н. М. Герсевановым
и позднее И. В. Яропольским, приобретает все более широкое распростра-
нение, в особенности при учете сил внутреннего трения, играющих в общей
прочности жестких глин немаловажную роль. При проведении опыта в
наиболее простом его варианте образцы для опыта изготовляются в виде
115
цилиндров. Для обеспечения наиболее благоприятных условий проведе-
ния опыта рекомендуется соблюдать условие
h — 2 — 3d,
где h —высота образца;
d — диаметр его сечения.
В обеспечение действительного скалывания образца и во избежание
его расслаивания в результате воздействия растягивающих напряжений
обоймы, через которые образцу передается нагрузка, должны быть плотно
и крепко связаны с его торцевыми поверхностями. Испытание заключает-
ся в определении раздавливающего усилия (Рразд в кГ) с последующим
вычислением раздавливающего напряжения, т. е. предела прочности
Рразд в кПсм2, по формуле
Рразд = ~F- (8-33)
где ш — площадь сечения образца, см2.
Предел прочности на сжатие в зависимости от природы испытываемой
породы варьирует в широких пределах от нескольких кГ/см2 до сотен.
кПсм2.
Известно, что максимальное скалывающее напряжение тмакс действует
по площадкам, наклоненным под углом 45° к главным направлениям, и
численно в условиях двухосного напряженного состояния определяется
по выражению
^а,.с = -Р' 7Рг , (8.34)
где Pi и р2 — большее и меньшее главные напряжения.
При опыте на раздавливание кубика или цилиндра образца в одноос-
ном напряженном состоянии (одна осевая сила)
Р1 Рразд? Рг == О-
Таким образом,
• (8-35)
Тогда, приравнивая тмакс к пределу прочности породы по скалыванию
s, получаем
s = ^&. (8-36)
Учитывая, что s=cc, т. е. структурному сцеплению, мы можем написать
Q = . (8-37)
116
Отсюда мы можем заключить, что структурное сцепление сс в породе
численно равно половине предела ее прочности на сжатие в опыте на раздав-
ливание.
При проявлении в породе сил внутреннего трения фактическое значе-
ние структурного сцепления несколько меньше. Так, например, при ф=30°
мы уже имеем
и при ср=25°
___ Рразд
с 2,3
___ Рразд
с 3
(8-38)
(8-39)
При проведении этого опыта разрушающую нагрузку рразд следует
относить к максимальному поперечному сечению образца перед разруше-
нием, характеризующимся быстрым нарастанием его деформации.
При испытаниях прочности глинистых грунтов в одноосном напряжен-
ном состоянии нередко возникают трудности в определении величины
критической (раздавливающей) нагрузки. В
американской практике критическая нагруз-
ка устанавливается по деформации сжатия
образца под нагрузкой и считается достигну-
той при уменьшении высоты образцов: жест-
ких глин на 3—8%;. полужестких глин на
8—14%. В других случаях за критическую
принимается нагрузка, при которой дефор-
мация образца достигает 2% от его высоты
в 1 мин.
Опыт с определением прочности породы
в одноосном напряженном состоянии может
быть использован для ориентировочного оп-
ределения свойственного породе угла внут-
реннего трения ср и сцепления с исходя из
следующих соображений. При раздавлива-
нии образца его разрушение сопровождается
образованием в образце поверхностей скола
с некоторым углом а к вертикали (оис. 8-29
и 8-30).
Исходя из основных положений строи-
тельной механики об ориентации площадей,
отвечающей наименее выгодным условиям
работы тела в рассматриваемых условиях,
принимается, что этот угол а связан с углом
внутреннего трения © грунта зависимостью
Рис. 8-29. Характер разруше-
ния образца при его испыта-
нии раздавливанием в одно-
осном напряженном состоянии
(из материалов В. В. Жихо-
вич)
117
а=(45° - Д-
(8-40)
откуда
ф = 90° —2 а. (8-41)
В условиях одноосного напряженного состояния образец грунта раз-
рушается под воздействием лишь одного главного напряжения piKp. Второе
\Рразд
। Распределительная
плита
Рис. 8-31. Круг напряжений при
испытании образца в одноосном на-
пряженном состоянии
^ЛЛАА/////////)////А
Рис. 8-30. Ориентация трещин
при раздавливании образца
главное напряжение р2кр равно нулю в связи с отсутствием бокового давле-
ния. Из рис. 8-31 следует:
г = (рс + sin <р. (8-42)
Подставляя в это выражение значения г = Рр2азд- и рс = — и выпол-
няя простейшие преобразования, получим
£ccoscp = -^~ (1 — sin ф). (8-43)
Преобразуем это выражение соответствующими подстановками
сс sin (90° — ср) = Рр2зд (sin 90° — sin ср). (8-44)
118
Раскрывая скобки и переходя к половинным значениям углов 90 и ©
по формулам синуса разности и разности синусов углов, получим после
простейших преобразований
Q = -тг Рразд tg ( 45°----. (8-45)
Оперируя этим уравнением совместно с выражением (8-41), мы имеем воз-
можность найти величины угла внутреннего трения породы и отвечающего
ей сцепления.
При невозможности замера угла а угол внутреннего трения может быть
принят приближенно равным 25°. Тогда в соответствии с выражением
(8-39) ориентировочно
_ _1_
Q ' з Рразд*
При определении прочности пород методом раздавливания образцов
предполагается равномерное и однородное распределение сжимающих
напряжений по сечению образца.
В реальных условиях это не сов-
сем так: во-первых, по периметру
образца возникает сложное напря-
женное состояние с напряжения-
ми, отличными от средних расчет-
ных (граничные условия); во-вто-
рых, за счет обычной неоднород-
ности структуры скалистых по-
род, часто нарушенной в образце
волосными трещинами и обладаю-
щих к тому же некоторой порис-
тостью; в-третьих, из-за неизбеж-
ной неточности изготовления об-
разца (непараллельности его гра-
ней), что ведет к внецентренности
приложения нагрузки и перерас-
пределению напряжений по сече-
нию образца.
Определение прочности рас-
сматриваемых пород в условиях
одноосного напряженного состоя-
ния, т. е. прямым раздавливанием
образцов, далеко от совершенства
и дает лишь самое ориентировоч-
ное представление о действитель-
ной сопротивляемости рассматри-
ваемых пород скалыванию.
Рис. 8-32. Сланцеподобные глины в бор-
ту выемки
119
Приведенное выше предостережение приобретает особое значение при
наличии у породы ясно выраженной слоистости, переходящей в сланце-
ватость. В этом случае при значительной прочности породы на раздавли-
вание с приложением сжимающей силы нормально к плоскости напласто-
вания сопротивление ее сдвигу по этой плоскости, в особенности при увлаж-
нении породы, может оказаться весьма невысоким.
В этом отношении небезынтересным является следующий пример
(рис. 8-32). В борту выемки обнажаются сланцеподобные глины с высокой
прочностью. Вместе с тем при падении плоскости напластования этих
глин к горизонту под углом от 6 до 10° в котловане были отмечены
оползни со сдвигом породы по этим плоскостям. В таких случаях необ-
ходимо проводить полевые наблюдения и опыты (см. гл. 40).
В заключение для предварительного и ориентировочного назначения
расчетных показателей некоторых важнейших разновидностей глинистых
(связных) грунтов приводится табл. 14*.
Таблица 14
Ориентировочные расчетные показатели сопротивляемости сдвигу глинистых
(связных) грунтов
Состояние породы (консистенция) Глина Суглинок Супесь
ь град кГ/см2 град кГ/см2 9, град С кГ/см-
Твердая 22 1,00 25 0,60 28 0,20
Полутвердая 20 0,60 23 0,40 26 0,15
Тугопластичная 18 0,40 21 0,25 24 0,10
Мягкопластичная 14 0,20 17 0,15 20 0,05
Текучепластичная ... 8 0,10 13 0,10 18 0,02
Текучая 6 0,05 10 0,05 14 0,00
Сопротивляемость скалыванию скалистых пород
Вопрос о сопротивляемости сдвигу (скалыванию) скалистых пород
следует рассматривать применительно к толще скалистых пород в целом
с учетом ее трещиноватости и выветрелости.
* Эта таблица была составлена под руководством автора на основе данных стати-
стической обработки нескольких сот инженерно-геологических отсчетов инженерами
Д. В. Шнитниковым, Г. А. Андреевым, 3. В. Пильгуновой и Н. И. Куленко и впервые
опубликована в 1949 г. (Н. Н. М а с л о в. Прикладная механика грунтов. Машстрой-
издат, 1949). Почти двадцатилетняя практика использования данных этой таблицы
для ориентировочных соображений и прикидочных расчетов подтвердила ее практи-
ческую ценность.
120
Трещиноватость и выветрелость толщи скалистых пород во всех слу-
чаях неизбежно ведет к ее ослаблению и снижению несущей способности.
Трещины в скалистых массивах как по своему происхождению (трещины
формирования, отдельности и усадочные, трещины тектонические и псевдо-
тектонические, трещины выветривания), так и по развитию (раскрытие
и протяженность) и ориентации отличаются крайним разнообразием.
Часто трещины в зоне активного выветривания оказываются выполнен-
ными глинистым материалом. Вместе с тем обычно трещины являются пу-
тями проникновения и циркуляции воды в толще пород. Поэтому в зоне
выветривания создаются особенно благоприятные предпосылки для сме-
щения пачек скалистых пород по трещинам, в особенности при соответст-
вующей их ориентации в пространстве. Это обстоятельство не раз являлось
причиной грандиозных горных обвалов и оползней. В этом отношении
весьма показательным является обрушение крутого откоса массива из-
вестняков, происшедшее в районе Франк Альберт (Канада) в 1903 г.,
со смещением 30 млн. м3 породы по тектонической линии разлома.
Весьма малой устойчивостью на сдвиг по направлению сланцеватости
отличаются выветрелые метаморфические сланцы, причем особенно опас-
ными оказываются выветрелые глинистые сланцы с исключительно низ-
кой сопротивляемостью сдвигу по этим плоскостям.
При сильной трещиноватости скального массива сцепление сс, отнесен-
ное к массиву в целом, может оказаться в десятки раз меньшим, чем это
вытекало бы из результатов лабораторного опробования нескольких
небольших образцов породы. При сильном дроблении скалистой породы,
с чем часто мы встречаемся в тектонических зонах дробления, в ядрах
пережатых складок и т. д., мы уже не можем говорить о толще как о неко-
тором массиве скалистой породы. В этих случаях нередко представляется
необходимым рассматривать такую толщу как место скопления грубообло-
мочных продуктов разрушения скалистой породы. Вполне понятно, что
степень устойчивости такой толщи будет определяться в основном силами
внутреннего трения. Вместе с тем тектонические трещины в толще скалис-
тых пород нередко оказываются выполненными в последующем процессе
жильными образованиями (магматическими и гидротермальными). В этом
случае монолитность, а следовательно несущая способность толщи ска-
листых пород, в известной мере восстанавливается.
Таким образом, при оценке несущей способности и сопротивляемости
скалыванию скалистых пород необходимы наблюдения для оценки значе-
ния трещиноватости в несущей способности толщи в каждом частном слу-
чае (см. гл. 6).
В ряде случаев для описываемой цели могут оказаться очень полезными
полевые опыты. Однако во избежание получения ошибочных данных эти
опыты должны проводиться по специальной программе, учитывающей
полностью данные природные условия (см. гл. 40.). При проведении
121
опытов следует иметь в виду, что в реальных условиях в силу масштабного
эффекта структурное сцепление оказывается, как правило, значительно
ниже, чем определенное опытом. Поэтому лабораторные опыты со скалис-
™ гр°а
О и
ъ/
и т
и Z
и (/
• '
£0
z"' А А «к
7/<
Z4/
А—1 '•>10 L
9? ? 2
J £ L
QJ
Э- 7 п
g си
'’О //?
10 £
1 с
!и
1/1 СР g g ЯКУ ЖД>'w4wiwaijl Д1> ф О1 W 'Д! W w !g W Д w —
14 W®4^ ' " “*—— — A AAA
WwywjwvWliyWw '
1 7
l L
1П
/ и г"!' — " . "•
0 Q
0
с
и
4
*т
1 Lw, , г. г . . > .,
Рис. 8-33. Рассеяние показателей сопротивляемости
опытным определениям (по данным Л.
сдвигу ленточных глин по
В. Иванова)
тыми породами целесообразно проводить лишь для определения коэффи-
циента трения по контактной поверхности плашек, которые для данного
случая должны быть соответствующим образом выровнены.
122
Установление расчетных показателей грунтов
Расчетные (используемые при расчетах) показатели грунтов для оценки
устойчивости сооружений, склонов и откосов во избежание возможных
ошибок должны устанавливаться с надлежащей осторожностью, тем более,
что их установление во всех слу-
чаях, конечно, применительно к
выбранному единообразному инже-
нерно-геологическому горизонту
очень осложняется обычно значи-
тельной разбросанностью опыт-
ных определений (рис. 8-33). За-
вышение показателей может быть
чревато неблагоприятными послед-
ствиями для устойчивости и дол-
говечности сооружений. Однако
неоправданно заниженные показа-
тели влекут за собой резкое уве-
личение объема работ, усложнение
защитных конструкций и, как
следствие этого, удлинение сроков
строительства и его удорожание.
В связи с неизбежным разбро-
сом значений опытных определе-
ний возникает вопрос об осредне-
нии полученных данных для прак-
тического использования числен-
ных показателей состава и сос-
тояния горных пород. Это осред-
нение оказывается наиболее оправ-
данным при учете числа опытных
определений и степени разброса
опытных показателей и может быть
Рис. 8-34. Обработка опытных данных
по сопротивляемости сдвигу spw озерно-
болотных суглинков:
п — число опытов; 5Ср — среднеарифметическое
значение сопротивляемости сдвигу; sm(j— то же,
по методу медианы; ст — стандарт кривой распреде-
ления (среднеквадратичная ошибка); р — нормаль-
ное напряжение (нагрузка), при котором проводил-
ся опыт
выполнено методами математичес-
кой статистики с установлением
гарантированных значений показателей, т. е. с заданной степенью надежно-
сти. Такое решение вопроса оправдывается тем, что разброс опытных значе-
ний тех или иных характеристик грунтов, как это уже указывалось выше,
подчиняется в большинстве случаев закону нормального распределения.
Подтверждением этого положения применительно к характеристике со-
противляемости грунта сдвигу может служить рис. 8-34. Напомним, что
значение среднего по медиане соответствует значению данного показателя
для среднего члена в возрастающем ряде данных опыта. Как видим, зна-
123
чения scp и smd в данном случае, как и обычно, оказались весьма близкими.
Вместе с тем упрощение в установлении среднего значения показателя
методом медианы очевидно.
Согласно СНиП II-Б. 1-62 п. 5.4 расчетные характеристики подлежат
определению как произведение нормативной характеристики на коэффици-
ент однородности k.
Этот коэффициент согласно СНиПу определяется по данным исследова-
ний грунтов по формуле
(8-46)
Здесь а — стандарт кривой распределения;
Лн — нормативная характеристика грунта, как среднее значение
характеристики (scp).
Пример. Согласно рис. 8-34 scp=l,46 кГ/см2 и о =0,42 кГ/см2.
Тогда
а 1 0,42 п
k=1~ Т46' = 0’71 И
Spacq = kscp = 0,71 -1,46= 1,04 кГ/см2.
Здесь будет уместно сделать предупреждение о невозможности нераз-
дельного определения расчетных значений показателя угла внутреннего
трения ф и сцепления с. В силу значительной их связи (обратной) установ-
ление расчетных фрасч и с расч должно выполняться через определение рас-
четных значений сопротивляемости данного грунта сдвигу при разных на-
грузках, например через Sjpac4; 5зрасч ; s5pac4 с построением известного гра-
фика по рис. 8-15.
Среди многих теоретически более строгих статистических методов установ-
ления расчетных показателей выделяется предложенный канд. геолого-ми-
нералогических наук 3. В. Пильгуновой следующий упрощенный метод,
представляющий значительную практическую ценность*.
Истинное значение средней сопротивляемости породы сдвигу зист по
ряду опытных определений для выделенного пласта может быть установ-
лено лишь при очень большом числе испытаний (теоретически — при бес-
конечном). При ограниченном числе опытных определений scp, установлен-
ное осреднением опытных данных, тем больше будет отличаться от зист
чем меньшим числом опытных определений мы располагаем. Поэтому воз-
никает необходимость определения некоторого гарантированного значения
показателя srap, обеспечивающего с заданной надежностью соблюдение
условий, что найденное при данном числе опытных данных scp не окажется
* 3. В. Пильгунова. Метод математической статистики в установлении
среднего значения сопротивления сдвигу глинистых пород. АН СССР. Труды Лабора-
тории гидрогеологических проблем. Т. XIV. 1958.
124
выше, чем 5ИСТ. Описываемый ниже метод носит название метода гаранти-
рованной накопленной частости. По этому методу srap определяется через
гарантированное значение накопленной частости S^rao, откуда и возникло
его название.
Сущность метода состоит
в следующем. По опытным
данным сопротивляемости по-
роды сдвигу sp отдельно для
разных нагрузок строятся
интегральные (кумулятивные)
кривые по накопленной час-
тости Zw (в процентах). Для
некоторой породы такое пост-
роение выполнено на рис.
8-35. Построение этих кри-
вых весьма просто. Прежде
всего для каждой из нагрузок
определяется число опытов,
выраженное в процентах от
общего числа опытных опре-
делений, давших значение sp
меньшее некоторого заданно-
го. Это число опытов, обоз-
начаемое через (в про-
центах), и соответствует зна-
чению накопленной часто-
сти. Такое определение
производится для ряда зна-
чений sp.
Найденные таким обра-
зом значения наносят на
графики применительно к
тем или иным значениям sp,
для которых они устанавли-
вались. Затем по получен-
ным точкам, сглаживая не-
ровности, проводят инте-
гральные кривые (рис.
8-35, а).
Рис. 8-35. Установление гарантированных рас-
четных показателей сопротивляемости грунтов
сдвигу по методу 3. В. Пильгуновой:
а — кумулятивные (интегральные) кривые для определе-
ния • б — о = f (р) при равной 10, 25 и 50%.
lap 1 dp lap
Аллювиальные суглинки
Далее возникает необходимость установления значения В^гар при не-
которой наперед задаваемой надежности а для определения среднего
srap применительно к имеющемуся числу опытных определений п. При
установлении srap рекомендуется принимать надежность а =99%.
125
Отметим, что при такой надежности лишь в одном из 100 возможных
случаев значение устанавливаемого расчетного показателя может оказать-
ся выше своего истинного значения. При этом условии величина srap должна
определяться через Епугар при следующих рекомендуемых ее значениях,
отвечающих тому или иному числу опытных определений п.
Число опытов п Менее 10 Ctorap > % 0 Число опытов п 25—35 ^^гао, % 25
10—15 10 35—50 30
15—20 15 50—75 35
20—25 20 Свыше 75 40
Определив применительно к имеющемуся числу опытов значение £&угар
по графикам с интегральными кривыми по накопленной частости
подобным изображенным на рис. 8-35, а, находим для всех нагрузок р
значения srap. Для этого проводим на графике горизонтальную линию,
соответствующую значению £аугар. По пересечениям этой линии с инте-
гральными кривыми, построенными для разных нагрузок р, находим соот-
ветствующие им значения srap. Далее, располагая значениями srap для раз-
ных нагрузок, строим обычный график (рис. 8-35, б) для определения ф и
с. Обычным порядком определяем эти показатели, которые в данном слу-
чае будут отвечать уже гарантированным их значениям, т. е. ®rap и сгар.
На рис. 8-35, б мы имеем ряд таких прямых, построенных при гарантиро-
ванных значениях Еаугар=10, 25 и 50%. Отметим, что значение показате-
лей при Еаугар=50% отвечает их предельному «истинному» среднему,
при ограниченном числе опытных определений, имеющему лишь теорети-
ческий интерес.
В практике нередко используется правило об установлении расчетных
показателей по среднеминимальному значению их опытных определений
(т. е. среднее из минимальных и средних их значений). Это правило яв-
ляется обоснованным лишь при испытании 25—35 образцов.
Описанный метод может быть с успехом использован для установления
расчетных значений любых характеристик грунтов (показателей сжимае-
мости, водопроницаемости и т. д.). Использование описываемого метода
может быть облегчено за счет отказа от построения кумулятивных кривых
с заменой их «графиками рассеяния», однако во всех случаях выполняе-
мых раздельно по сопротивляемости грунта сдвигу под той или иной на-
грузкой (например, sb s2 и s3).
Во многих случаях возникает вопрос о необходимом числе опытных
образцов для установления упрощенным порядком среднего значения ка-
кого-либо показателя и в первую очередь показателей сопротивляемости
грунта сдвигу. При подобных обстоятельствах может быть с успехом ис-
пользован описываемый ниже способ, рекомендованный 3. В. Пильгуно-
126
вой, сущность которого заключается в следующем. По мере накопления
опытных данных строится в обычной или полулогарифмической шкале
график средних значений того или иного показателя, например сопротив-
ляемости грунта сдвигу при нагрузке р=3 кПсм2, т. е. s3. Средние значе-
ния показателя определяются при этом вначале из данных двух опытов,
потом трех, четырех и т. д. Как видно из рис. 8-36, значительный вначале,
т. е. при малом числе опытов, разброс средних значений s3 резко умень-
шается по мере увеличения числа опытов и уже при 25 опытах и более
Чис/ю опытов
Рис. 8-36. График средних значений зз для определения необходимого
числа образцов, испытываемых на сдвиг
изменение средних значений не выходит за пределы практических требо»
ваний. Очевидно, что в данном случае мы имели все основания ограничить-
ся при проведении опытов на сдвиг испытанием 25 образцов.
Использование методов математической статистики с рассматриваемой
целью ограничивается необходимостью иметь для статистического обобщения
не менее 10—15 определений, что бывает далеко не всегда.
Вместе с тем, как правило, для характеристики выделенного единооб-
разного инженерно-геологического горизонта мы располагаем достаточным
количеством показателей II класса, установленных по образцам с нарушен-
ной структурой. В этом случае описанным выше образом по кумулятив-
ным кривым или по графикам рассеяния устанавливаются, опираясь на
таблицу 3. В. Пильгуновой (стр. 126), расчетные значения тех или
иных показателей в зависимости от числа имеющихся опытных опре-
делений. Примером такого построения кумулятивных кривых является
127
рис. 8-37. В качестве расчетного показателя обычно принимается влажность
щра„ч. В этом случае дальнейшее определение расчетных значений показа-
телей сопротивляемости сдвигу Фрасч и срасч проводится применительно к
установленной йУрасч по графикам вида рис. 8-17 и 8-21. При этом следует
иметь в виду, что ^расч должно быть более шср в связи с тем, что потребное
уменьшение расчетного значения ©расч и срасч имеет место при увеличении
влажности породы.
Рис. 8-37. Статистически обработанные опытные данные для опреде-
ления осредненных значений естественной влажности w грунта, пре-
делов текучести LL и пластичности PL по медиане, нижнему и верх-
нему квартилям (накопленная частость S'to = 25% и = 75%)
с построением кумулятивных кривых по экспериментальным данным
(тонкие ломаные линии), а также по формуле Гаусса (жирные выров-
ненные линии). Неогеновые глины
При установлении расчетных показателей сопротивляемости сдвигу
для пород, не связанных зависимостью с их влажностью, могут быть таким
же образом использованы другие показатели II класса по составу или со-
стоянию грунта.
При назначении расчетных показателей в особых случаях, требующих
учета падения прочности глинистых грунтов во времени в связи с деформа-
цией ползучести (вопросы длительной прочности), следует руководство-
ваться указаниями гл. 26.
128
ГЛАВА 9
ПОКАЗАТЕЛИ СЖИМАЕМОСТИ ГРУНТОВ. МЕТОДЫ
ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Природа явления уплотнения грунта под нагрузкой. Сжимаемость грун-
та определяется способностью пор в грунте уменьшаться в своем объеме
под нагрузкой. Само уменьшение пор в данном случае связывается с воз-
можностью более плотной укладки в породе слагающих ее частиц. Этот
процесс сопровождается неизбежным взаимным перемещением частиц,
которое находит свое выражение в виде некоторых микросдвигов элемен-
тарных частиц, слагающих породу.
Естественно, что при полном водонасыщении породы, т. е. при полном
заполнении пор водой, уплотнение грунта может иметь место лишь при
отдавливании из его пор некоторого объема заполняющей их воды. Иначе
говоря, процесс уплотнения таких грунтов идет со снижением их влаж-
ности. Уплотнение глинистых грунтов под нагрузкой связывается со вре-
менем тем более значительным, чем более вязок и менее водонепроницаем
грунт, т. е. чем он более глинист и плотен по консистенции. Отсюда ста-
новится очевидным, что наибольшей сжимаемостью будут обладать грунты
с пониженной внутренней сопротивляемостью сдвигу и одновременно обла-
дающие малой плотностью. В сжимаемости породы в большинстве случаев
решающую роль играет наличие или отсутствие в ней внутренних жестких
связей.
Поэтому все породы, характеризуемые высоким структурным сцепле-
нием сс, оказываются практически несжимаемыми. Таковы, например,
все скалистые и сцементированные породы. Характерным примером в этом
отношении может являться пемза. Как известно, пемза обладает большой
пористостью. Поры в ней нередко имеют весьма большие размеры и вместе
с тем, в пределах интересующих нас нагрузок, пемза практически является
несжимаемой. Но при относительно высоких нагрузках порода может быть
раздавлена. Уплотнение ее в этом случае уже неизбежно. Сдерживающее
влияние жестких структурных связей проявляется почти во всех породах
за исключением, конечно, сыпучих. Это обстоятельство часто приводит
к тому, что при малых нагрузках такая порода оказывается малосжимае-
мой. Особенно ярко эта особенность выражена у коренных глинистых по-
род, как известно, обладающих обычно достаточно высоким структурным
сцеплением сс.
При постепенном нарастании нагрузки, наконец, наступает некоторый
предел, при котором жесткие связи в породе оказываются порванными.
При этой и последующих, более высоких нагрузках сжимаемость грунта
резко возрастает. Такие явления наблюдаются даже в глинистых отложе-
ниях, правда, более или менее древних по своему возрасту. При уплот-
нении глинистых пород идет сближение слагающих их частиц, что ведет
Ум
5 Заказ № 549
129
к повышению молекулярных сил и, следовательно, сил внутренней связ-
ности При сжатии уплотняющихся под нагрузкой глинистых грунтов
это обстоятельство ведет к остаточным, необратимым деформациям тем
большим, чем менее плотен грунт.
Иначе говоря, грунт, уплотнившийся до некоторой степени под на-
грузкой, при снятии этой нагрузки уже не возвращается по плотности в
исходное состояние (полностью не разуплотняется). Процесс уплотнения
сыпучих (несвязных) грунтов идет с более глубоким и тесным внедрением
зерен в поры породы и более крепким их заклиниванием. Очевидно и
в этом случае, т. е. при насильственном уплотнении породы до некоторого
критического состояния ее плотности, в деформации сжатия грунта будет
превалировать ее необратимая часть.
В процессе осадки сооружений, вызванных уплотнением грунта под
их весом, наибольшее значение приобретает именно необратимая часть
деформации, которая и подвергается изучению в механике грунтов.
С увеличением плотности грунта способность его к дальнейшему уплоту
нению уменьшается. Это обстоятельство ведет к относительному снижению
в общей деформации грунта остаточных необратимых явлений и повышению
упругой их части. При этом условии в отношении мало уплотненных грун-
тов приходится говорить о криволинейности их механической характерис-
тики.
Таким образом, отсутствие линейной зависимости деформации сжатия
от нагрузки для слабо уплотненных грунтов надо признать a priori. Сле-
дует напомнить, что повышенная исходная плотность глинистых пород
может явиться следствием:
а) динамометаморфизма, (наиболее характерно для дислоцированных
толщ и горных районов);
б) высокой обжимающей их нагрузки от веса перекрывающих данный
горизонт масс породы;
в) их высыхания (климатические условия, низкое стояние уровня грун|
товых вод). : ' ж|
Влияние веса перекрывающих масс может сказываться как за счет
современных условий (горизонты, глубоко залегающие от поверхности),
так и за счет масс породы, перекрывавших данный горизонт в геологиче-.
ском прошлом и ныне отсутствующих.
: Отметим здесь попутно, что плотность песков определяется совершенно
иными условиями: обстановкой накопления осадка (спокойный или динами-
ческий режим) и нередко сейсмическими воздействиями. В статических
условиях плотность песков не зависит от веса перекрывающей толщи или
самого сооружения. Это обусловливается высокими при значительной на-
грузке силами внутреннего трения, возникающими между песчаными зер-
нами. Поэтому вопрос об.осадке сооружений, воздвигаемых .на толще пес-
чаных отложений, может возникать лишь при исключительной рыхлости
13Э
песков или при возможности воздействия на толщу динамических натру*
зок (сотрясения).
До сих пор вопрос рассматривался с точки зрения уплотнения грунта
при увеличении приложенной к нему нагрузки (нормального напряжения).
Из изложенного выше явствует, что при снятии с грунта части воздей-
ствующей на него нагрузки процесс пойдет в обратном порядке: поры
будут расширяться и при доступе к породе воды влажность ее будет уве-
личиваться. В конечном итоге грунт будет испытывать пучение.
Процесс этот имеет самое существенное значение при вскрытии относи-
тельно широких в плане и достаточно глубоких (в несколько десятков
метров глубины) котлованов.
Меры выражения сжимаемости грунтов. Для прогноза деформации
уплотнения грунтов под воздействием приложенных к ним нагрузок мы,
помимо величин напряжений, вызывающих эту деформацию, должны рас-
полагать и некоторыми показателями, характеризующими сжимаемость
грунта. Показатели, определяющие меру сжимаемости грунтов, называются
компрессионными характеристиками.
Сжимаемость грунтов может быть охарактеризована следующим обра-
зом:
а) зависимостью коэффициентов пористости е от давления р в виде е =
Ч(р);
б) величиной коэффициента уплотнения, или сжимаемости, а;
в) модулем общей деформации грунта Ер;
г) величиной относительной деформации ер.
Зависимость коэффициента пористости s от давления р. Прежде всего
напомним, что коэффициент пористости е характеризует собой величину
отношения объема пор в некотором объеме грунта к объему твердого ве-
щества, заключенного в этом объеме. Таким образом, коэффициент по-
ристости е, будучи отнесенным к той или иной нагрузке р, свидетельству-
ет о плотности породы, достигнутой при обжатии ее под этой нагрузкой.
Коэффициент пористости — безразмерная характеристика. -Л
Предложение по выражению меры сжатия грунта под нагрузкой в
виде зависимости коэффициента пористости грунта г от нагрузки р, т. е.
в виде e=f(p), принадлежит проф. К. Терцаги.
Рассматриваемая зависимость носит характер логарифмической зави-
симости вида
д = % —4“ 1п С^1)
Здесь гр — коэффициент пористости при нагрузке р;
е0 —• коэффициент пористости грунта в его исходном (начальном)
состоянии плотности;
Вис— некоторые параметры, которыё определяются опытом.
5* 131
Однако в практических целях данная зависимость используется лишь
в редких случаях.
Обычно для указанной цели используются табличные данные или чаще
строятся графики с нанесением на них так называемых компрессионных
кривых. Общий вид компрессионной кривой в виде графического изображе-
ния зависимости tp=f(p) показан рис. 9-1. На этом рисунке нанесены две
кривые (две ветви). Ветвь а отвечает обычной компрессионной кривой,
характеризующей сжимаемость грунта (ветвь сжатия). Ветвь б называ-
ется ветвью разгрузки, расширения или пучения грунта. Ветвь разгрузки
Рис. 9-1. Компрессионные кривые в виде зависимости гр — f(p).
Аллювиальные суглинки
отражает собой изменение коэффициента пористости е породы, в данном
случае в сторону его повышения, за счет расширения пор и возможного
дополнительного водонасыщения грунта при снятии с него части на-
грузки. Ветвь разгрузки строится обычно лишь в редких, специальных
случаях.
Для определения коэффициента пористости гр, отнесенного к некото-
рой нагрузке р, мы в общем случае должны располагать данными по удель-
ному весу грунта у0, а также по его объемному весу и влажности wp
(в долях единицы), отнесенных к этому состоянию. В этом случае коэффи-
циент определяется по выражению
е = 7о(1 + t (9.2)
В частном случае, при полном водонасыщении грунта (коэффициент во-
132
донасыщения G=1,0) определение гр значительно упрощается и произво-
дится по следующей формуле;
гР = (9-3)
Пример. Удельный вес грунта 7о=2,70 (безразмерная величина);
влажность грунта при нагрузке р=3,0 кГ/см? равняется ау3=25%, или
^3=0,25. Тогда коэффициент пористости гр грунта при этой нагрузке
определится по формуле (9-3).
е30 = 2,70-0,25 = 0,670.
Как видим, для выражения степени сжимаемости грунтов по зависи-
мости ep=f(p) по формуле (9-2) и даже в простейшем случае при полном
водонасыщении грунта (G=l‘,0) требуется выполнение ряда побочных
лабораторных и вычислительных операций
(определение влажности, объемного и удель-
ного веса грунта). Использование этой зави-
симости при расчете (например, при прогно-
зе осадки сооружения) также сопряжено [с
излишними вычислениями. Кроме того, зави-
симость вида ер =f(p) лишена наглядности и
оперирует понятиями, мало знакомыми ин-
женеру. При этом следует иметь в виду,
что мерой сжимаемости грунта под нагруз-
кой р является не сама величина коэффици-
ента пористости ер, а изменение в коэффици-
енте пористости (As), вызванное этой на-
грузкой.
Существенным недостатком этого спосо-
ба является также необходимость иметь
емости грунта через коэффи-
циент уплотнения а, смЧкГ
для компрессионной характеристики грунта
во всех случаях табличные данные или график и невозможность выра-
зить ее некоторым числом. Это часто создает излишние трудности или
оказывается просто неудобным.
В силу всех этих недостатков выражение сжимаемости грунта через
зависимость гр =f(p) постепенно выходит из практического использования.
Коэффициент уплотнения а как иная форма выражения компрессион-
ной характеристики грунта, предложенная в свое время выдающимся
советским ученым Н. М. Герревановым, в известной мере лишена этих
недостатков.
Выражение сжимаемости грунта через коэффициент уплотнения а осно-
вано на принципе спрямления компрессионной кривой вида sp ~f(p) на
некотором ее участке (рис. 9-2). Коэффициент уплотнения а представляет
133
собой тангенс угла наклона (tga) компрессионной кривой в данной ее
точке, Те е. при данной нагрузке р, к горизонту.
Таким образом
а = tg а, (9-4)
Найдем значение tga из прямоугольного треугольника cbd@
Очевидно, что
tg« = ^. (9-5)
Заменяя в этом выражении Аг и Ар соответствующими им величинами
Де=[е1—е2] и Др=[р2—pi], мы можем написать
Очевидно, что в последнем выражении pi и р2 соответственно, исходная
и последующая нагрузки; и е2 — отвечающие этим нагрузкам коэффици-
енты пористости.
Как это вытекает из выражения (9-6), размерность коэффициента уплот-
нения обратная размерности напряжений, т. е. мы имеем а в см^кГ.
Располагая коэффициентом уплотнения а, можно дать следующее приб-
лиженное выражение для описания компрессии в пределах некоторого
узкого диапазона нагрузок pi и р2:
г2=е1 —а (р3 —Pi) (9-7)
Здесь г2— искомое значение коэффициента пористости для некоторой на-
грузки р2;
£1 — исходный (известный) коэффициент пористости при исходной
нагрузке pi.
Таким образом, коэффициент уплотнения характеризует собой величину
отношения уменьшения пористости грунта Ае при повышении нагрузки
на Др.
Это обстоятельство (обратная направленность процесса) позволяет нам,
учитывая зависимости (9-4 и 9-5), написать
или, переходя к дифференциалам,
«==->• <9-8)
Выражение (9-8) очень отчетливо свидетельствует в теоретической
форме о переменной зависимости механической характеристики грунтов
от нагрузки и в этом смысле является весьма важным.
134
Большим достоинством коэффициента уплотнения а как одной из ком-
прессионных характеристик является возможность выражать через него
сжимаемость грунтов в численном виде. Так, например, для нагрузок
Pi =1,0 кПсм2 и р2=3,0 кПсм2 по ветви уплотнения компрессионной кри-
вой (см. рис. 9-1) имеем значения щ =0,625 и е3=0,570.
Тогда по выражению (9-5) получим
п Т625 0,570 q grr 2/гг
isi' — 3 0 1 о ь.-.ль ie/ л?
Несмотря на свое' бесспорное достоинство, метод коэффициента уплот-
нения, к сожалению, не свободен от недостатков. Так же как и способ вы-
ражения сжимаемости грунта через коэффициент пористости е, коэффициент
уплотнения грунта мало нагляден.
Для определения коэффициента а необходимо выполнить те же побоч-
ные операции, с которыми связано установление значений s, дополненные
вычислением по выражению (9-6). Применение коэффициента а в расчетах
осадок сопряжено с излишними осложнениями.
В зависимости от величины коэффициента уплотнения а степень сжи-
маемости грунтов может быть приблизительно охарактеризована следую-
щим образом:
Коэффициент уплотнения а
Сжимаемость г рунта
/Денее 0,001 ...........
0,001—0,005 ........
0,005—0,001 ........
0,001—0,10 ........
Более 0,10........... .
Практически несжимаемый
Слабая
Средняя
Повышенная
Сильная
Выражение сжимаемости грунта через модуль общей деформации Е .
Как показывает опыт, выразить сжимаемость грунта оказывается возмож-
ным и через модуль общей деформации грунта Ер (кГ/см2).
В данном случае модуль ЕГ) является аналогом модуля упругости Е
(модуля Юнга), определяемым в соответствии с основным законом теории
упругости (законом Гука) по выражению
£ = -У> (9-9)
где е — относительная деформация.
Однако между модулем деформации Ер как мерой выражения сжимае-
мости грунта и модулем упругости Юнга имеется существенное различие.
Это различие вытекает из специфической природы грунтов как особых
физических тел.
Мы имели уже случай отметить значительную роль в уплотнении грун-
тов остаточонй деформации. При этом условии модуль общей деформации Ер
135
в отличие от модуля упругости Е неизбежно отражает как упругую,
так и необратимую часть общей деформации грунта. Это обстоятельство
находит выражение в названии Ер как модуля общей деформации грунта.
Кроме того, как отмечалось не один раз, интенсивность сжимаемости грун-
та в процессе его уплотнения под нагрузкой не остается постоянной и па-
дает по мере увеличения плотности. Это приводит к переменному значе-
нию и к зависимости самого модуля Ер от нагрузки р, что находит отраже-
ние в индексе р при Е, т. е. Ер.
Таким образом, модуль общей деформации Ер связан с нагрузкой р
некоторой функциональной зависимостью, т. е.
E„ = f(p). (9-10)
Вместе с тем, как известно, модуль упругости Е в расчетах принимается
постоянным и не зависящим от нагрузки (E=const). В соответствии с ука-
занными особенностями модуля Ер выражение (9-9) для его определения
при некотором заданном значении нагрузки р через относительную дефор-
мацию ер приобретает следующий вид:
= (9’п)
Эта зависимость может быть использована для определения Ер в его
простейшем выражении через р и ер.
Пример. Образец грунта высотой h = 4 см под нагрузкой р =
= 0,75 кГ/см? дал осадку АЛ =0,2 мм. Требуется определить модуль
общей деформации Во,75. Относительная деформация
Д h 0,2 n
• ео,75=-г = -ж = О,ОО5.
Тогда по выражению (9-11)
£0,75 = = 125 кТ!слЕ.
Использование в расчетах модуля общей деформации Ер в указанной
выше форме, т. е. в виде некоторой функциональной зависимости от на-
грузки в соответствии с выражением (9-11), никаких принципиальных воз-
ражений не встречает. Вместе с тем следует отметить, что в ряде случаев
по практическим соображениям модуль деформации Ер для той или иной
разновидности грунтов принимается постоянным (E=const).
Допущение о независимости модуля Ер от нагрузки р вообще, в том
числе от величины природной нагрузки рпр, достаточно произвольно и мало
обосновано, так как учет этой зависимости при использовании в расчетах
по прогнозу осадки сооружений описываемого ниже модуля осадки ер
никаких трудностей не вызывает.
136
Модуль осадки или сжимаемость ер. Общий вид зависимости (9™11)
наводит на мысль об использовании в качестве меры сжимаемости грунта
непосредственно величины относительной деформации ер*. В этом случае
отпала бы необходимость во всех побочных определениях (р0, 7W, w) и ка-
ких бы то ни было расчетах, связанных с определением коэффициентов по-
ристости или модуля деформации Ер.
Определение ер посредством опыта при нагрузке р сводится к установ-
лению абсолютной величины сжатия образца высотой h с последующим
вычислением ер по элементарной формуле
Все промежуточные операции при этом исключаются.
Нагрузка р, кГ/смг
Рис. 9-3. Компрессионные кривые в виде зависимости ер = f(pP Ал-
лювиальные суглинки
Как это следует из выражения (9-12), модуль осадки является безраз-
мерной величиной. В практике он может быть использован в своем абсолют-
ном значении в процентах (%) или промиллях (°/00). Последний способ
выражения особенно удобен. В таком виде он называется модулем осадки,
или сжимаемости, и обозначается через ер. Индекс р свидетельствует о
величине нагрузки р, которой отвечает данное значение ер. При этом усло-
вии модуль осадки, или сжимаемости, грунта отражает величину деформа-
ции, т. е. величину сжатия в миллиметрах столба грунта высотой в 1 м
при приложении к нему дополнительной нагрузки р.
Тогда вместо формулы (9-12) мы будем иметь
ер = 1000 ~ мм/м. (9-13)
* Н. Н. М а слов. Инженерная геология. Стройиздат, 1941.
137
Показатель ер имеет определенный инженерный смысл, очень образен
в и весьма прост в расчетах. Допустим в качестве примера, что е2=20 мм/м.
Отсюда следует, что метровый слой данного грунта при приложении к
нему нагрузки р=2 кГ/см2 дает осадку в 20 мм. Ясно, что осадку Д для
Рис. 9-4. Компрессионные кривые для
четвертичных древнелагунных суглин-
ков (из материалов А. П. Фадеевой):
Номер кривых ...... 1
Влажность w, % .... 32
Глинистость d (содержа-
ние фракций <0,005 мм),
% • .................. 23
2 3 4
29 27 28
21 18 19
5
24
17
случая одномерной задачи того же
грунта при той же нагрузке для слоя
мощностью h исключительно просто
определить по выражению
-q' = eph. (9-14)
Зависимость ер = /(р) в графиче-
ской форме выражается также ком-
прессионной кривой (рис. 9-3). Здесь
по-прежнему нанесены две ветви, из
которых одна (а) соответствует сжа-
тию, другая (б) разгрузке.
На рис. 9-4 нанесен ряд комп-
рессионных кривых вида ер = f(p)
для древнелагунных суглинков раз-
личного состава по глинистости d (со-
держание частиц <0,005 мм) и влаж-
ности w. Из графика отчетливо вид-
но повышение сжимаемости породы с
повышением ее глинистости, а отсюда
величине модуля осадки ер
и влажности.
Степень сжимаемости грунтов по
при р=3 кГ/см2 может быть охарактеризо-
вана следующими данными:
Категория грунта
по сжимаемости
О
I
II
III
IV
Модуль осадки
ер, мм/м
<1
1—5
5—20
20—60
>60
Сжимаемость
Практически несжимаем
Слабая
Средняя
Повышенная
Сильная
Компрессионные кривые вида гр=/1(р) и ep=f2{p) связаны взаимными
формулами перехода. Эти формулы выводятся из следующих рассуждений.
Допустим, что образец некоторой породы высотой h см обжимается
под нагрузкой р, будучи заключен в металлическое кольцо, исключающее
возможность его бокового расширения. Площадь сечения образца w=const.
Начальная плотность оценивается величиной пористости п0. Под влия-
нием нагрузки происходит уплотнение грунта до некоторого нового состоя-
138
ния плотности с пористостью пр. Повышение плотности грунта сопровож-
дается понижением его высоты на ДА см. Объем образца до опыта
V0 = ^h; (9-15)
объем образца после опыта
1/^ = 0 (А— А А). (9-16)
Объем твердого вещества (скелета) Уск остается в процессе опыта без из-
менения. При общем объеме образца V0 и пористости п0 объем скелета
= (1~~«о). (9-17)
Одновременно
KK = Vp (9-18)
Приравнивая выражения (9-17 и 9-18) и подставляя в них значения
Уо и Vp из выражений (9-15 и 9-16), получим
со А (1—По) = со (k — А А) (1 — п,р). (9-19)
После простейших преобразований получим
. (9-20)
h 1 — пр • 7
Вместе с тем известно, что
£
« = т+т • 0-21)
Выразим плотность образца до и после опыта через коэффициенты по-
ристости г0 и £р. Для этого подставим в зависимости (9-20) значения е0
и гр, выразив их соответственно через пористость пг, и пр по формуле
(9-21), получим
1 £° (9-22)
h — Д h _ i Ы s(‘_ 1 -M
h ~
или h — A h 1 + s/7 (9-23)
h 1 + eo
Найдем отсюда ДА ЫЫ./1 1 ю £o (9-24)
или Mi __ Eo — (9-25)
h 1 “5 £0
139
Учитывая зависимость (9-13) и выражая относительную деформацию
в промиллях, получим окончательно
ер =1000-
£0 --- £/7
1 + £0
(9-26)
Эта формула дает возможность легко найти значения модуля осадки
ер по заданным значениям коэффициентов пористости е0 и гр, отвечающим
нагрузкам р0 и р.
Вместе с тем, решая зависимость (9-26) относительно зр, получаем фор-
мулу, дающую возможность перестроить компрессионную кривую, изобра-
женную в виде ер = Д(р), на комп-
рессионную кривую вида зр —
Получим
-___г- _. /п 9у\
‘-о 1000 (У 2/)
Нагрузка р, кг /см2
Рис. 9-5. Компрессионная характери-
стика древнелагунных суглинков, вы-
раженная в различной форме (кривая
2 по рис. 9-4)
Подставив в последнее выраже-
ние вместо ер отвечающее ему зна-
чение из выражения (9-13) и учиты-
вая, что модуль осадки выражается в
промиллях, мы получим следующее
выражение:
*Р = *о-(1+ч) У- (9-28)
Это выражение используется для
определения текущего коэффициента
пористости гр при нагрузке р в про-
цессе компрессионного опыта по зна-
чению начального коэффициента пористости е0 и относительной величине
- Д h
сжатия образца под данной нагрузкой.
В заключение рассмотрим следующий пример оценки сжимаемости не-
которого определенного грунта различными методами.
На рис. 9-5 приведены компрессионные кривые видов ^P=fi(p) и ер =
=f2(p) Для древнелагунного суглинка с влажностью w =29 % (кривая 2
по рис. 9-4). Данные, по которым построены эти кривые, совместно с пока-
зателями сжимаемости, определенными другими методами, приведены в
табл. 15.
Для построения на рис. 9-5 компрессионной кривой вида ep=f^p)
через коэффициент пористости е использована формула перехода (9-26).
140
Таблица 15
Характеристика сжимаемости древнелагунного суглинка различными методами
Нагрузка р, кГ/см2 Коэффициент пористости е Коэффициент уплотнения а, см2/кГ Модуль осадки ер, мм/м Модуль общей де- формации Ер, кГ/см2
0 0,866 . .
1 0,818 0,048 25,8 39
2 0,778 0,040 47,2 42
3 0,750 0,028 62,6 48
4' 0,726 0,024 75,3 53
модуля осадки е2, т. е. при нагрузке р =
для определения
В частности,
=2 кГ!см2, мы имеем
е2 = 1000 •
0,866 — 0,778 п ,
1,0 4-0,866 47,2 ММ^М’
то же, для нагрузки р=4 кПсм2
шил 0,866 — 0,726 п >
е4=1000- —, п । a ' = 75,3 мм/м.
** 1,0 + 0,866
Найдем величину коэффициента уплотнения а по формуле (9-6) для
диапазона нагрузки pi=2 кПсм2 и р2=3 кПсм2. Подставив в эту фор-
мулу соответствующие величины ер из табл. 15, получим
0,778 — 0,750 л oq 2 /
= 3~0 —2,~0— = 0,28 См iKi *
Определим, наконец, модуль общей деформации Ер при нагрузке р =
=4 кГ/см2 по выражению (9-11), имея в виду, что модуль осадки е4 выражен
в промиллях:
Е4=1000. -44-^53 кГ!см\
* 76,8 ' '
Методы определения показателей сжимаемости грунтов. Сущность
проведения опыта для установления показателей сжимаемости грунта
заключается в наблюдении за величиной линейного обжатия (осадка A/z)
образца грунта под нагрузкой р. Обжатие образца грунта проводится в
замкнутом кольце в условиях невозможности бокового его расширения
(рис. 9-6). Нагрузка передается образцу посредством рычагов гирями
через штамп, в который заключен пористый камень. Назначение последнего
заключается в обеспечении отвода из образца отжимаемой в процессе опыта
воды. Наблюдение за осадкой образца под нагрузкой ведется специальным
141
измерительным прибором — мессурой с точностью до тысячных долей
миллиметра. Прибор обычно заполняется водой во избежание высыхания
образца во время испытания. Как правило, опыт проводится под несколь-
кими последовательно возрастающими нагрузками. Под каждой из этих
нагрузок образец выдерживается в при-
боре до практически полной стабилиза-
ции его деформации (затухания осадки).
В некоторых случаях для полного уп-
лотнения грунта под той или иной на-
грузкой может потребоваться несколь-
ко недель.
Конструкция компрессионных при-
боров весьма разнообразна, но сущ-
ность их остается всегда одной и той
же. На рис. 9-7 приводится схема та-
кого прибора конструкции Маслова—
Ба л дыша.
Образец грунта обычно извлекается
из толщи с некоторой глубины г. На
этой глубине грунт находится под весом
перекрывающей его толщи пород, опре-
деляющей величину его природной на-
грузки рпр. Очевидно, что
Рис. 9-7. Схема компрессионного
прибора типа Маслова—Балдыша:
1 — монолит грунта; 2 — кольцо дырчатое;
3 — поршень; 4 — шток направляющий; 5 —
мессура с установочным кольцом и Зажим-
ным винтом; 6— ниппель; 7 —цилиндр;
8— пористые камни; 9 — шайба резиновая;
10 — канал с ниппелем для отвода воды;
11 — пазы кольцевые; 12 — кольца резино-
вые ; 13 — поддон
РПр = ТИ (9-29)
где y — объемный вес грунта перекры-
вающей толщи с учетом в необ-
ходимых случаях взвешивания
его подземными водами.
г
Рис. 9-6. Схема ком-
прессионного прибо-
ра:
а — кольцо; б — образец
грунта; в — обойма при-
бора; г — пористый штамп;
р — нагрузка
142
и воздуха и внутренним газообразованием.
перекрывающей
компрессионной.
Рис. 9-8. Учет влияния веса
толщи (рпр) при определении
способности грунта
В принципе начальная плотность грунта должна отвечать нагрузке
Следовательно, при нагрузках р<рпр обжатие не должно иметь места и
поэтому не должно учитываться при определении характеристик сжимае-
мости грунта. При этом условии отсчет деформации образца под нагрузкой
с его нулевого значения следует производить лишь при нагрузках р=р1ф
или выше ее (рис. 9-8).
При извлечении образца из грунтовой толщи в нем почти неизбежно
происходит начальное разуплотнение породы, сопровождающееся допол-
нительным поглощением воды
С точки зрения проведения
опыта на компрессию наи-
большее значение имеет пер-
вый фактор (разуплотнение
за счет дополнительного на-
сыщения водой), в особенно-
сти в тех случаях, когда об-
разец отбирается с больших
глубин, из-под воды, и тре-
бует значительного времени
для своего извлечения на по-
верхность.Недоучет этого фак-
тора ведет к большим ошиб-
кам, измеряемым во многих
случаях сотнями процентов.
Во избежание искажения результатов опыта необходимо, чтобы первая
нагрузка во время опыта была выше той, которая соответствует природно-
му состоянию плотности породы, или чтобы опыт при малых нагрузках
проводился во влажной среде без водного окружения образца.
При изучении сжимаемости образцов плотных глин результаты опыта
могут быть сильно искажены (до нескольких сот процентов) за счет так
называемых пластических деформаций образца; Эти деформации связаны
с обмятием в приборе недостаточно точно вырезанного и пригнанного
к кольцу образца породы. В подобных случаях непосредственно замеренная
линейная величина обжатия (осадки) образца Ай контролируется другими
методами. Для водонасыщенных пород при G=1 коэффициент пористости
грунта в любом достигнутом под нагрузкой состоянии может быть установ-
лен через его влажность по известному уже нам выражению (см.
формулу 9-3), где у0 — удельный вес грунта (безразмерная величина).
Величина модуля осадки ер для таких же водонасыщенных грунтов
контролируется взвешиванием образца до и после испытания. В этом слу-
чае используется следующая зависимость:
£= 10000-
р hu
(9-30)
143
где AQ — потеря в весе образца за счет воды, отжатой из него под нагруз-
кой р, Г;
h — первоначальная высота образца, мм;
оз — площадь сечения образца, см2.
Для воздухосодержащих грунтов, т. е. для грунтов с воздухом в порах,
эти методы контроля непригодны. В этом случае модуль осадки ер контро-
лируется по изменению пористости п грунта в процессе испытания с ис-
пользованием выражения
е„ = 10000- (9-31)
Р 1 - Щ
где nQ— пористость грунта до опыта;
П1 _ пористость грунта на той или иной степени уплотнения его под
нагрузкой.
Время от начала опыта, °/о
Рис. 9-9. Пример графической обработки результатов компрессион-
ного опыта во времени
Величины пористости п0 и устанавливаются в этом случае обычным
порядком через объемный и удельный веса ^0) породы и через ее влаж-
ность по формуле
Весьма важной частью компрессионного испытания является изучение
скорости протекания обжатия грунта под нагрузкой. Функциональная
144
зависимость модуля осадки ер от времени оказывается существенно необхо-
димой при прогнозах осадки во времени или при испытании образцов раз-
личной высоты для расчетов устойчивости грунта в условиях недоуплот-
нения образцов. В последнем случае определяется показатель консолида-
ции (см. гл. 24).
Расчеты по оценке степени устойчивости масс грунта в любой стадии
его обжатия под нагрузкой требуют установления зависимости для данной
нагрузки влажности от времени (длительности) обжатия образца. В том
случае когда опыт в компрессионном приборе производится весовым ме-
тодом, влажность w на некоторый момент времени Т нахождения образца
под нагрузкой определяется выражением
W =^0 — - °~Qr-(l+^0)- (9-33)
40
Здесь — влажность породы к началу опыта в долях единицы;
Qo — вес образца с кольцом перед опытом;
Qr — вес образца на момент времени Т после некоторого обжатия
под нагрузкой р.
Графическая обработка материалов опыта производится в соответствии
с рис. 9-9. При этих операциях неизбежно возникают трудности в установ-
лении времени полного обжатия образцов (4таб)- Во избежание этой труд-
ности при установлении /стаб проще и определенней считаться с некоторой
долей этого обжатия, например 95%, т. е. принимать ерасч=95% ер.
ГЛАВА 10
ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ
ГОРНЫХ ПОРОД И ГРУНТОВ
Принципы построения классификации горных пород и грунтов. Горные
породы отличаются исключительным разнообразием. Число лишь наибо-
лее важных разновидностей горных пород превышает несколько тысяч.
Вместе с тем во многих случаях различные горные породы с инженерно-
геологической точки зрения обладают более или менее сходными или
общими свойствами. В самом деле, в инженерно-геологическом смысле
нет существенной разницы между, например, гранитом и диоритом. В здо-
ровом невыветренном состоянии обе эти породы могут служить прекрасным
основанием под самые тяжелые сооружения. Это обстоятельство исключает
необходимость детального здесь рассмотрения всего многообразия горных
пород и грунтов.
Указанные положения позволяют сгруппировать горные породы и
грунты по их основным инженерно-геологическим признакам в некоторые
определенные категории, т. е., иначе говоря, классифицировать их.
145
При первом даже визуальном ознакомлении с горными породами ста-
новится очевидным, что эти породы во многих случаях резко различаются
по своей прочности, обусловленной характером и силой связи между сла-
гающими их минералами и частицами. В песках, например, эти внутрен-
ние связи отсутствуют, что позволяет выделить целый класс сыпучих
(зернистых) пород (песок, гравий, щебень и др.).
При наличии в породе внутренней связи между частицами они резко
различаются по своей природе и проявлению. Скалистые породы характе-
ризуются жесткими связями структурного сцепления сс необратимого
характера, придающими породам свойства твердых тел и в большинстве
случаев повышенную прочность. В отличие от скалистых пород прочность
глинистых грунтов обусловливается молекулярными связями водно-колло-
идной природы. По интенсивности своего проявления эти связи в большой
степени зависят от влажности и плотности породы и носят обратимый ха-
рактер. Как мы знаем, этот вид внутренних связей, столь характерный
для глинистых грунтов, именуется связностью и обозначается через
Кроме того, имеется значительный ряд пород, характеризующихся осо-
быми свойствами.
Все эти обстоятельства позволяют при составлении инженерно-геоло-
гической классификации выделить четыре основных класса горных пород
и грунтов:
I — породы с превалирующей ролью жестких структурных связей
(скалистые);
II — глинистые породы с внутренними связями водно-коллоидной
природы-,
III — породы без внутренних связей (сыпучие, или зернистые);
IV — породы, отличающиеся по своим связям особыми свойствами
(класс особых пород).
Детализация горных пород в пределах класса осуществляется по прин-
ципу их отношения к воде. Таким образом, в классификациях возникают
категории водостойких и водонестойких пород.
Водостойкость скалистых и сыпучих пород (I и III классов) опреде-
ляется их стойкостью против растворения (выщелачивания). Степень гидро-
стойкости глинистых пород (II класс) определяется их большей или мень-
шей способностью размягчаться в воде.
Породы I, II и III классов в пределах своих двух категорий (водостой-
ких и водонестойких) подразделяются на соответствующие группы. Поро-
ды I класса подразделяются на группы по генетическому признаку, т. е.
по их происхождению, обусловливающему особые формы их выветрива-
ния для водоустойчивых пород и выщелачивания для водонестойких
пород.
Отнесение ко II классу таких пород, как аргиллиты, алевролиты и т. д.,
оправдывается их глинистой природой, некоторой способностью уплот-
146
няться под нагрузкой и увеличивать при этом свою сопротивляемость сдви-
гу, отчасти размягчаться в воде и т. д. Целесообразность подразделения
на группы сыпучих (зернистых) пород (III класса) по признаку их круп-
ности определяется различной устойчивостью таких пород в водонасыщен-
ном состоянии под гидродинамическим и динамическим воздействием.
Инженерно-геологическая классификация горных пород приводится в
табл. 16. Наименование пород в этой таблице не исчерпывает их возможно-
го списка и они помещены здесь в виде примера.
Принадлежность определенной породы к тому или иному классу в
общих чертах определяет ее инженерно-геологические свойства.
Породы I класса (скалистые) отличаются повышенной проч-
ностью и практически нулевой сжимаемостью, способны держать высокие
вертикальные откосы. В общем случае устойчивость их в откосах опреде-
ляется в первую очередь степенью выветрелости породы и характером
ее трещиноватости. В своем массиве они являются практически водонепро-
ницаемыми. Их фильтрационная способность и водоносность определяются
степенью расчленения толщи трещинами и наличием в ней всякого рода
пустот, каверн и т. д.
Породы II класса (глинистые) по своей прочности зависят от
влажности, причем породы I категории (водостойкие, сцементированные)
в меньшей степени, а породы II категории (водонестойкие) самым прямым
образом. Сжимаемость пород I категории этого класса незначительна,
сжимаемость пород II категории возрастает по мере ослабления консистен-
ции и при пластичной консистенции оказывается достаточно высокой.
Устойчивость в откосах пород I категории, а также твердых и полутвердых
пород II категории в сильной степени зависит от их трещиноватости. Во-
допроницаемость и водоносность пород I категории, а также пород твердой
и полутвердой консистенции II категории также определяется степенью
их трещиноватости. Прочие породы II класса практически водонепрони-
цаемы.
Породы III класса (сыпучие, или зернистые) характеризуются
отсутствием сколько-нибудь прочных связей между зернами. Их устой-
чивость определяется силами внутреннего трения, т. е. при прочих рав-
ных условиях величиной нормальной нагрузки. Уплотняемость под ста-
тической нагрузкой ничтожна, а под динамической может быть весьма зна-
чительной и определяться в первую очередь начальной плотностью породы
и интенсивностью сотрясений. При определенных условиях мелкозернис-
тые и тонкозернистые разности песков способны в условиях взвешивания
водой терять свою устойчивость, разжижаться и оплывать в откосах.
Породы IV класса (особые породы) характеризуются специаль-
ными свойствами, подлежащими рассмотрению в каждом частном случае
с учетом условий работы грунта, назначения и типа проектируемых соо-
ружений. К этому классу мы относим вечномерзлые породы. При этом
147
00
Инженерно-геологическая классификация горных пород (по Н. Н. Маслову)
Таблица 16
I класс. Скалистые (жесткие) породы II класс. Глинистые породы III класс. Сыпучие (зернистые) породы IV класс. Особые породы
I категория — водостойкие (невыщелачивающиеся) II категория — водонестой- кие (выщелачивающиеся) I категория — водостойкие слабо размягчающиеся в воде (сцементи- рованные) II категория — водо- нестойкие (размягча- ющиеся в воде) I категория — во- достойкие (нераст- воряющиеся) II категория —во- донестойкие (раст- воряющиеся в воде)
1-я группа. Магматические 2-я группа. Метаморфичес- кие сланцы 3-я группа. Осадочные сце- ментированные 1-я группа. Органогенные ! 2-я группа. Химические осадки З-я группа. Сцементирован- ные водонестойким цемен- том 1-я группа. Твердой и полу- твердой консистенции 2-я группа. Пластичной консистенции 3-я группа. Текучей кон- систенции 1-я группа. Грубообломоч- ; ные ! ! 2-я группа. Пески i 1-я группа. Грубообломоч- ные i 1 I 2-я группа. Пески
Гранит, диабаз, порфи- рит, ба- зальт Квар- цит, мра- мор, крем - нистые сланцы, слю- дистые сланцы Крем- нистые конгло- мераты, крем- нистые брек- чии, крем- нистые песчани - ки, крем- нистые извест- няки, опоки Из- вестия- ки9 раку- шечник , доло- митизи- рован- ные извест- няки Камен- ная соль, гипс, ангид- рит, доломи- ты Из- вестко- вистые песчани- ки, из- вестко- вистые конгло- мераты, гипсо- носные конгло- мераты Ар- ТИЛЛИ- ТЫ, алев- ролиты, глини- стые мергели, опоко- видные глины Различные глины в разных консистен- циях, различные суглин- ки в разных консис- тенциях, различные супеси в разных кон- систенциях Галеч- ник, щебень, дресва и гравий магма- тичес- ких и мета- морфи- ческих пород Квар- цевые, полево- шпато- вые, ар- козовые, ОЛИви- новые Из- вестко- вый ще- бень и галеч- ник Доло- митовые и гипсо- вые пес- ки Мел, лесс, соленое - ные грунты, торф, илы, почвы, вечно- мерзлые породы , намыв- ные грунты, куль- турный слой
следует учесть, что их надо рассматривать лишь как породы, находя-
щиеся в особом (мерзлотном) состоянии.
Само собой разумеется, что дальнейшее развитие классификации пород,
которое в принципе не должно иметь предела, может выполняться каждый
раз в особом, отвечающем задаче направлении. Так, например, детализа-
ция глинистых грунтов по их сопротивляемости сдвигу могла бы потре-
бовать их дальнейшего членения на известные уже нам разновидности
жестких глин —- скрытопластичные (псевдопластичные) и пластич-
ные. Однако подобная детализация в стремлении создать единую класси-
фикацию, способную оказаться исчерпывающей для всех случаев нашего
анализа, привела бы к излишней ее громоздкости и в силу этого явилась
бы ошибочной.
ЧАСТЬ IV
ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ
ГЛАВА И
ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ И ИХ РЕЖИМ
Значение вопроса о подземных водах в мостовом и тоннельном строи-
тельстве. С инженерно-геологической точки зрения подземные воды во
многих случаях являются фактором, в сильнейшей степени осложняющим
строительство. Эти трудности возникают в связи:
а) с часто наблюдаемым значительным притоком воды в котлованы,
вскрываемые для закладки фундаментов сооружений;
б) со значительным и в некоторых случаях катастрофическим обвод-
нением тоннелей и других подземных сооружений при их проходке;
в) с агрессивным характером подземных вод (в связи с их химизмом)
по отношению к строительным материалам и в первую очередь по отно-
шению к бетону (специальный вопрос).
Вопрос о притоке воды в котлованы возникает во всех случаях их за-
ложения ниже уровня подземных вод. Однако особую остроту этот вопрос
приобретает при глубоком заложении фундаментов в сильно водоносных
породах. Такие случаи часто возникают при заложении мостовых опор.
При необходимости заложения опор на большой глубине приток воды
в открытые котлованы может оказаться столь значительным, что в данном
случае будет более целесообразно искать для мостовых опор новые кон-
структивные решения с использованием, например, свайных фундаментов
различного типа, трубчатых колодцев, кессонов и т. д. В связи с таким поло-
жением может возникнуть вопрос об использовании и иных типов мосто-
вых сооружений.
Условия проходки котлованов и подземные работы могут быть в сильней-
шей степени осложнены при наличии в проходимой толще водонасыщенных
тонкозернистых песков (плывунов). При обычном поверхностном водоот-
ливе такие пески часто переходят в текучее состояние. Песок оплывает с
откосов, на дне котлованов переходит в разжиженное состояние, иногда на
значительную глубину. В таких условиях оказывается невозможной работа
строительных механизмов: экскаваторы и транспорт вязнут в разжижен-
ной массе и нередко опрокидываются. В конечном итоге основание соору-
жения может оказаться безнадежно ослабленным. Еще более опасной может
оказаться встреча с такими водонасыщенными песками (плывунами) при
проходке тоннелей, а также при выполнении других подземных работ и
строительстве подземных сооружений. Нормальный ход тоннельных ра-
бот может оказаться в этих условиях совершенно нарушенным. Здесь может
150
t®
возникнуть необходимость осуществления особых мероприятий, например
проходки тоннеля с применением сжатого воздуха (кессонирование).
В громадном большинстве случаев при проходке тоннелей приходится
считаться с возможностью их обводнения подземными водами. В обычных
условиях борьба с подземными водами в тоннелях не встречает особых прин-
ципиальных трудностей, однако эти трудности возрастают с увеличением
дебита вскрытых подземных источников и в некоторых случаях оказывают-
ся исключительными. Такие условия чаще всего могут встретиться при пе-
ресечении тоннелем дислоцированных массивов с ясно выраженными тек-
тоническими формами (тектонические линии разрывов, сбросов, а также
зоны дробления пород). Исключительные трудности в борьбе с водой могут
возникнуть при встрече ствола тоннеля с карстовыми подземными потоками
или при вскрытии подземных озер в пещерах, часто достигающих больших
размеров.
Подземные воды имеют исключительное значение в развитии оползневых,
явлений, которые во многих частях нашей страны создают большую угрозу
населенным пунктам, промышленным объектам и сельскохозяйственным
угодьям (Поволжье, Черноморское побережье Крыма и Кавказа и т. д.).
Все это заставляет нас изучать подземные воды с точки зрения возмож-
ных условий их залегания, движения и режима.
Общая характеристика подземных вод. К подземным водам относятся
все воды земной коры, находящиеся ниже поверхности земли и дна поверх-
ностных водоемов и водотоков. Подземные воды заполняют собой пустоты
в горных породах. В глинах, песках и галечниках эти пустоты представ-
лены порами [поровая вода). В скалистых породах подземные воды выполняют
в основном трещины [трещинные воды) и каверны. В районах с сильно раз-
витым карстом подземные воды приурочены к карстовым пустотам и трещи-
нам и образуют нередко подземные реки и озера [карстовые воды).
Для инженерной практики наибольший интерес представляют подзем-
ные воды атмосферного происхождения. Естественно, что не все атмосфер-
ные осадки, выпадающие на поверхность суши, обращаются в подземные
воды: некоторая часть атмосферных осадков испаряется и возвращается в
атмосферу в виде водяного пара; другая часть стекает непосредственно по
земной поверхности и, не проникая в толщу пород, питает ручьи и реки.
Таким образом, лишь некоторая часть атмосферных вод в результате ин-
фильтрации через покровные горизонты идет на пополнение подземных вод.
Подземные воды в виде источников и ключей отдают свои избытки ручь-
ям и рекам, способствуя их питанию.
Все воды рек, за исключением бессточных областей, в конечном итоге
сбрасываются в океан. Здесь под воздействием солнечных лучей, в особен-
ности в экваториальных областях, происходит сильное испарение. Испа-
рившаяся вода в виде пара увлекается воздушными течениями В процессе
охлаждения происходит конденсация паров с переходом их, в частности,
151
в капельно-жидкое состояние. Отсюда возникают в соответствующих усло-
виях осадки, которые и выпадают на земную поверхность в виде дождя,
снега, града и т. д. Таким образом осуществляется круговорот воды в при-
роде (рис. 11-1).
Общий объем воды на земном (шаре грандиозен и измеряется сотнями
миллиардов кубических километров. В годовом круговороте воды участвует
лишь небольшая часть этого количества (0,03—0,04 %).
Количество осадков, выпадающих в различных районах Земли, исклю-
чительно разнообразно. Для различных районов СССР оно колеблется в
пределах от 100 до 2500 мм в год. На
рис. 11-2 приведена карта изогиет. Так
называются линии, соединяющие пунк-
ты с одинаковым количеством годовых
осадков.
Рис. 11-1. Схема круговорота воды в при- Рис. 11-2. Изогиеты Европейской
роде части СССР в мм за год
Величина испарения, которая обычно измеряется в миллиметрах водя-
ного столба, также варьирует в широких пределах в зависимости от указан-
ных выше факторов. На рис. 11-3 приведена карта изолиний испарения для
Европейской части СССР. Здесь линиями соединены пункты с одинаковой
испаряемостью на поверхности водных бассейнов, выраженной в милли-
метрах водяного столба за год.
Не менее существенно в зависимости от местных причин изменяется и
поверхностный сток атмосферных вод. Показателем интенсивности стока
является так называемый коэффициент стока, который показывает, какая
часть (в долях единицы) атмосферных осадков, выпавшая за данный период
на территории бассейна, идет на питание его рек.
Величина коэффициента поверхностного стока понижается с севера на
152
юг (рис. 11-4). Отметим, что во многих случаях реки получают значитель-
ное дополнительное питание за счет подземных вод (подземный сток).
Таким образом, количество атмосферных вод, пополняющих запасы под-
земных вод в каждом пункте земной поверхности, определяется по раз-
ности выпадающих здесь осадков и вод, ушедших на испарение и образо-
вание поверхностного стока.
Рис. 11-3. Карта изолиний испарения в м за год
Поверхностная зона земной коры подразделяется на зону аэрации и
зону насыщения. Как показывает само название, зона аэрации характери-
зуется преимущественным заполнением пустот и пор в породах воздухом.
Естественно, что зона аэрации отвечает поверхностным горизонтам. Вместе
с тем наличие воды в том или ином виде не исключается и в этой зоне.
Н. Н. Славянов различает в этой зоне следующие горизонты (рис. 11-5):
а) горизонт почвенной влаги;
б) переходный горизонт, или горизонт просачивания;
в) горизонт с временными, обычно сезонными, водами (верховодка);
г) горизонт капиллярной оболочки.
153
Горизонт почвенной влаги характеризуется отсутствием в нем свободной
воды. Наличие здесь воды выявляется некоторой влажностью грунтов,
слагающих поверхностные слои толщи.
В горизонте просачивания встречается вода в свободном виде, но лишь
в течение относительно короткого времени, и ее наличие здесь, как пра--
вило, отвечает периодам обильной инфильтрации (выпадения дождей, тая-
Рис. 11-4, Карта изолиний стока (в долях от количества
атмосферных осадков)
ния'снегов). Воды этого горизонта питают верховодку, где они обычно за-
держиваются на более длительный срок.
Верховодкой обычно называют расположенные наиболее близко ют по
верхности, непостоянные водоносные пропластки или линзы, залегающие
в зоне аэрации.
154
Верховодка также носит временный, преимущественно сезонный, харак-
тер. Однако здесь вода, просочившаяся через поверхностные горизонты,
все же задерживается на некоторый срок. Причиной этого является зале-
гание на той или иной глубине среди проницаемых, менее проницаемых или
даже водоупорных пород, представленных глинами или. даже суглинками
в линзообразном залегании. Воды в этом горизонте задерживаются до тех
пор, пока они не уйдут в более глубокие горизонты, подпитывая собой грун-
товые воды. Очень часто верховодка иссякает в результате испарения. Обыч-
но верховодки отличаются малой мощ-
ностью и невыдержанностью в распрост-
ранении. Вместе с тем весной и осенью
при значительных осадках верховодка
может отличаться значительным обилием
в ней воды, особенно в зонах понижения
кровли подстилающих водоупорных по-
род.
В зонах глубокого залегания грунтовых
вод и при их засолении пресные воды вер-
ховодки нередко используются населением
а
6
д
е
посредством колодцев, НО эти колодцы К Рис. 11-5. Подземные воды зоны
осени, как правило, иссякают.
При близком залегании верховодки к
поверхности во многих случаях возникает
заболачивание территории, которое носит
временный характер.
Отличительной особенностью верховодки
аэрации:
а — почвенная влага; б — воды просачи-
вания; в — верховодка; а — водоупор
(относительный); д — воды капиллярной
оболочки; е — грунтовые воды
является наличие под ней по-
род в состоянии аэрации, т. е. в состоянии неполного водонасыщения.
Горизонт капиллярной оболочки непосредственно примыкает к грунтовым
водам, и породы здесь находятся в состоянии капиллярного насыщения.
Следовательно, эти воды являются связанными и подвешенными. В силу
этого они не участвуют в общей циркуляции подземных вод. Мощность
капиллярной оболочки определяется размером пор в породах этого го-
ризонта. В тонкозернистых песках мощность капиллярной оболочки не пре-
вышает нескольких метров, в более грубых песках — нескольких десятков
сантиметров. В глинистых и суглинистых породах капиллярная оболочка
достигает наибольшей мощности и в исключительных случаях измеряется
десятками метров.
Поверхность капиллярной оболочки не остается постоянной во’ вре-
мени и изменяется, подчиняясь испарению и следуя за изменением уровня
грунтовых вод.
В зоне насыщения, как показывает само название, породы находятся
практически в состоянии полного водонасыщения: иначе говоря, поры,
трещины, полости и пустоты в породах толщи заполнены водой. По своему
155
характеру подземные воды в зоне насыщения подразделяются на грунтовые
(свободные, безнапорные), карстовые, артезианские и напорные.
Грунтовые воды образуют первый от поверхности, постоянно сущест-
вующий безнапорный водоносный горизонт. В основании горизонта грун-
товых вод, как правило, залегают глинистые водоупорные породы. Они
ограничивают по глубине своего залегания мощность горизонта грунтовых
вод и образуют его водоупорное ложе.
В отличие от верховодки грунтовые воды обладают определенной вы-
держанностью и значительной мощностью. В зависимости от сезонных при-
чин уровень грунтовых вод подвержен периодическим колебаниям. Однако
эти колебания имеют ограниченное значение и не отражаются на самом су-
ществовании водоносного горизонта.
Сверху грунтовые воды ограничены свободной поверхностью, называемой
зеркалом, или скатертью, грунтовых вод. Эта поверхность разграничивает
вмещающий грунтовые воды пласт на зоны аэрации и насыщения. Поло-
жение поверхности (уровня) грунтовых вод изменяется в зависимости от
условий их питания и не ограничивается перекрывающим пластом. Таким
образом, свободная поверхность грунтовых вод определяет их безнапорный
характер. Это условие является весьма важным и характерным свойством
грунтовых вод. Зеркало грунтовых вод может быть горизонтальным. В
этом случае мы сталкиваемся с некоторым подобием подземного озера. Та-
кие грунтовые воды образуют грунтовый бассейн.
В общем случае поверхность грунтовых вод может иметь некоторый
наклон в ту или иную сторону, и тогда происходит перемещение воды в
сторону падения зеркала, т. е. образуется поток грунтовых вод. Течение
грунтовых вод обычно направлено в сторону дренирующих их элементов
рельефа (понижения).
Уклоны поверхности грунтовых вод, а следовательно, и направление
их перемещения можно определить по карте местности с нанесенными на
ней гидроизогипсами (рис. 11-6). Гидроизогипсы представляют собой гори-
зонтали на плане, проведенные через точки с одинаковыми в них уровнями
грунтовых вод (в абсолютных или относительных отметках). Очевидно,
что направление течения грунтовых вод будет происходить по нормалям
к гидроизогипсам. Так на плане образуется система гидроизогипс как ли-
ний равных потенциалов (эквипотенциалов) и связанных с ними ортогональ-
но линий токов. Гидроизогипсы, подчиняясь в общем конфигурации и рель-
ефу района, как правило, не совпадают с горизонталями местности.
При близком залегании грунтовых вод к поверхности и тем более при
выходе их на поверхность нередко происходит заболачивание территории.
Очень часто в таких случаях грунтовые воды непосредственно сопрягаются
с поверхностными болотными водами.
Питание грунтовых вод осуществляется частично за счет конденсации
паров воды из воздуха, а в основном — за счет инфильтрации в толщу пт-
156
Рис. 11-6. Изображение гидро»
изогипс (I) и линий токов (2)
мосферных осадков, инфильтрации поверхностных вод из рек и водохрани-
лищ и, наконец, за счет подпитывания, напорными водами из более глубоких
горизонтов.
По своему распространению грунтовые воды связаны с современными
географическими зонами. Эта идея была в свое время сформулирована
В. В. Докучаевым и развита его ближайшим учеником П. В. Отоцким,
установившим еще в 1914 г. что «по мере движения на юг грунтовые воды
углубляются и минерализуются».
Положение о все возрастающей глубине залегания грунтовых вод по
направлению к югу представляется вполне естественным. При всех прочих
равных условиях глубина залегания зер-
кала грунтовых вод зависит от количест-
ва атмосферных осадков, поступающих в
процессе инфильтрации в грунт. Объем
этих вод уменьшается с уменьшением об-
щего количества атмосферных осадков, вы-
падающих в данном районе, и с увеличе-
нием испарения. Такие условия обычны
для южных районов нашей страны.
В северных широтах количество осад-
ков, как правило, намного больше, чем
на юге, а испаряемость во много раз ни-
же. Поэтому не удивительно высокое сто-
яние здесь уровня грунтовых вод, кото-
рый местами почти сравнивается с поверхностью, что и обусловливает ши-
рокую заболоченность наших северных областей. Существенное значение
здесь имеет также фактор стока.
Благодаря большой выровненности территории в северных районах на-
шей страны, еще в самом недавнем прошлом бывшей дном ныне регрессиро-
вавшего моря, сток атмосферных осадков здесь в сильнейшей степени затруд-
нен, что ведет к застаиванию воды на поверхности и к повышенной, в опре-
деленных условиях, инфильтрации, их в толщу грунта.
Весьма важным фактором, определяющим глубину залегания грунтовых
вод, является степень дренирования территории. Чем больше и глубже будет
дренирована территория, тем с более низким уровнем стояния грунтовых
вод мы столкнемся. Это соответствует районам с глубоким врезом в толщу
пород речных долин, а также с широко развитой глубокой эрозионной и
овражной сетью. Такие условия свойственны, в частности, югу Украины,
правобережью Волги, многим горным районам и т. д. Понятно, что в наи-
большей степени грунтовые воды дренированы в непосредственной близос-
ти от дрены, например от речной долины, что вызывает обычно наиболее
низкое стояние грунтовых вод в приречной полосе.
В северных районах нашей страны территория едва возвышается над
157
ные изменения.
Рис. 11-7. Процесс повышения
уровня грунтовых вод при их под-
поре:
1 — нормальное стояние-, II — зона повыше-
ния уровня грунтовых вод за счет их под-
тока и инфильтрации из водотока; III —
подпертый горизонт грунтовых вод
уровнем моря, которое оказывается здесь базисом эрозии и одновременно
базисом дренирования. Речные долины и вообще эрозионная сеть при этих
условиях неизбежно оказываются мелкими. Естественно, что грунтовые воды
никак не могут быть здесь сколько-нибудь значительно дренированы. Это
обстоятельство в свою очередь определяет близкое к поверхности стояние
грунтовых вод, обычное для таких областей.
Уровень грунтовых вод не остается неизменным и претерпевает сезон-
" I грунтовых вод совпадает с увеличением
поступления в водоносный горизонт
поверхностных вод и отвечает с неко-
торым запозданием периодам наиболее
интенсивного выпадения дождей и та-
яния снега. Запоздание обусловливает-
ся необходимым сроком для инфильтра-
ции вод с поверхности до водоносного
горизонта и временем подтока этих вод
до интересующего нас пункта. Ампли-
туда сезонного колебания уровня грун-
товых вод нередко достигает нескольких
метров.
В приречной полосе отметки зерка-
ла грунтовых вод в сильнейшей степе-
ни зависят от уровня воды в водотоке.
При весенних паводках уровень воды в
реках резко поднимается. Соответствующим образом поднимается базис
дренирования и, как следствие, повышается уровень грунтовых вод (рис.
11-7). В подобных случаях говорят о подпоре грунтовых вод.
Повышение уровня грунтовых вод при их подпоре также сопряжено
с некоторым запозданием во времени. Запоздание определяется необхо-
димым сроком для насыщения грунтовой водой новых объемов породы.
Это насыщение до некоторого периода идет как за счет вод реки, инфильт-
рующих в грунт, так и за счет вод подпруженного грунтового потока.
При спаде паводка с понижением базиса дренирования уровень грунто-
вых вод в приречной части постепенно снижается и доходит до своего обыч-
ного положения.
Изменение во времени уровня грунтовых вод в данном районе может
быть установлено на основе длительных так называемых стационарных
наблюдений.
Артезианские воды. Грунтовые воды, приуроченные к верхней зоне
отложений, главным образом к четвертичным и частично к более древним
образованиям, имеют свободный, ненапорный характер. Водоносные го-
ризонты, залегающие в более глубоких толщах пород, отличаются некото-
рыми особенностями в отношении условий их залегания и режима.
158
Б ___________________ А
Рис. 11-8. Артезианский бассейн:
А — пределы распространения артезианских вод; а— об-
ласть питания (и частично — стока); б — область напора;
в — область разгрузки; Б — пределы распространения
грунтовых вод; /Д— напор положительный; Нг — на-
пор отрицательный; М — мощность артезианского горизон-
та; 1 — водоносный пласт; 2—водоупорные породы; 3 —
уровень воды
Очень часто водоносный пласт бывает зажат между глинистыми или
какими-либо водоупорными пластами, т. е. ограничен водоупорами сверху
и снизу. Представим себе, что в силу дислокации этот водоносный пласт
залегает наклонно (рис. 11-8). Область питания а, где осуществляется ин-
фильтрация поверхностных вод в рассматриваемый пласт, лежит выше об-
ласти разгрузки в. В обеих зонах пласт выходит на поверхность или по-
крыт маломощным слоем от-
ложений, не являющихся
препятствием для перемеще-
ния подземных вод.
Таким образом, переме-
щение подземных вод в пла-
сте осуществляется под не-
которым напором, определя-
емым разностью высотных
отметок зон айв. Такой на-
порный водоносный горизонт
при залегании его на боль-
шой глубине называется ар-
тезианским.
Воображаемая линия, со-
единяющая какие-либо две точки в области питания и в области раз-
грузки, называется его пьезометрическим горизонтом или уровнем.
Напор И в некоторой точке водоносного пласта определяется раз-
ностью отметок пьезометрического уровня в данной точке и уровня кровли
водоносного пласта.
Очевидно, что в понижениях рельефа Hi вода, находясь под напором,
будет свободно изливаться из скважин. В зонах повышения рельефа Н2
пьезометрический уровень будет располагаться ниже поверхности земли.
В области в происходит разгрузка артезианского горизонта за счет выхода
подземных вод. в виде восходящих источников.
Как правило, артезианские горизонты отличаются значительной во-
дообильностыо (рис. 11-9), которая определяется величиной площади области
питания, мощностью водоносного пласта и его выдержанностью.
Таким образом, основным условием для образования артезианского го-
ризонта является наличие определенной структуры.
Артезианские воды имеют широкое распространение в СССР.
Как отмечалось выше, в некоторых случаях выделяют от собственно
артезианских напорные воды, значительно менее водообильные, чем арте-
зианские. Образование напорных вод тесно связано с артезианским горизон-
том. Обратимся снова к рис. 11-8. В зоне Hi при некоторой депрессии в
рельефе, например в речной .долине, и при отсутствии полной водонепрони-
цаемости перекрывающих пород возникает некоторая частичная разрядка
159
ческии уровень напорного
Рис. 11-9. Фонтанирующая
артезианская скважина
артезианского потока. В данном случае долина будет дренировать толщу.,
Образуются восходящие токи подземных вод. Такое движение возможно лишь
в том случае, если эти воды напорные и напор их возрастает с глубиной.
Вблизи от артезианского потока напор в толще будет отвечать напору это-
го потока. Вместе с тем в горизонте, подставляющем водоток, пьезометри-
горизонта лишь незначительно будет превышать
уровень воды в водотоке. Всякий подъем или
спад уровня воды в водотоке будет незамед-
лительно находить свое отражение в высоте
стояния пьезометрических уровней в толще.
Такое положение является естественным
следствием условия сохранения имеющейся
разрядки артезианского потока при любом
положении уровня в водотоке. Указанные
восходящие токи являются часто проводни-
ками в поверхностные зоны толщи вод из
более глубоких горизонтов обычно с повы-
шенной минерализацией.
Горячие и термоминеральные источники.
В вулканических областях очень распрост-
ранены горячие ключи, источники и в неко-
торых случаях, как особенно эффективная
форма их проявления, гейзеры. Температу-
ра их достигает 90° и более. Образование
этих источников обычно связывается с зале-
ганием на некоторой глубине от поверхности
еще не остывших магматических масс, выде-
ляющих тепло, пары и газы.
Поднимаясь от магматических тел во внеш-
ние оболочки Земли, магматические газооб-
разные продукты, а также растворы входят
в соприкосновение с циркулирующими в тол-
ще горных пород подземными водами. Та-
ким путем последние обогащаются газами, в частности углекислотой (нар-
заны Кавказа), а также минеральными компонентами (минеральные воды).
В Советском Союзе горячими источниками особенно богата Камчатка
Широко известны теплые сернистые источники Тбилиси.
Однако повышенная температура подземных вод в некоторых случаях
находится вне связи с магматическими явлениями. Таковы, например, горя-
чие ключи на Кубани. Такие явления связаны с глубокой циркуляцией
воды в зонах с повышенной температурой.
В некоторых случаях трасса тоннеля пересекает и вскрывает пути горя-
чих источников, обычных для молодых горных областей. Температура таких
160
источников нередко выше 45° и может достигать 80—85°. При подобной об-
становке условия работ при проходке тоннелей осложняются, особенно
когда тоннели пересекают значительные по высоте горные массивы и, та-
ким образом, оказываются на относительно большой глубине от земной
поверхности. Это обстоятельство приводит нередко к высокой температуре
в тоннеле, вызывающей необходимость в использовании особых вспомога-
тельных устройств и мероприятий (мощных вентиляционных и охладитель-
ных установок, сокращения рабочего дня и т. д.). Грубо ориентировочный
прогноз температуры, которая может ожидаться на данной трассе тоннеля,
может быть дан исходя из принципа использования геотермической ступени.
Для равнинных условий величину геотермической ступени обычно прини-
мают 33 м. Благодаря изрезанности рельефа (более благоприятные условия
охлаждения) геотермическая ступень для горных областей обычно более
высока и приближается к 40—42 м. В этом отношении более благоприятная
обстановка создается при трассировании тоннеля через толщу, характери-
зующуюся крутым падением пластов.
Представление о температурах, которые могут быть встречены при про-
ходке тоннеля, получают из такого выражения
/ : H~~h
где 1н— температура, ожидаемая на глубине Я;
/в — среднегодовая температура данной местности;
h — глубина слоя постоянной температуры (обычно 20—25 ж);
Т— геотермическая ступень.
Отсюда следует, что при пересечении тоннелем горного массива высо-
той в 2000 м в нем можно ожидать, как минимум, температуру порядка 50°.
Однако в ряде случаев такая температура может быть встречена и на зна-
чительно меньших глубинах. Так, например, при проходке Симплонского
тоннеля с превышением кульминационного пункта под осью тоннеля всего
на 705 м температура достигла 55°, что создало почти невыносимые условия
для продолжения работ. Здесь следует отметить, что белковые вещества
начинают сворачиваться уже при 60°. Особенно неблагоприятные условия
в отношении температуры могут создаваться в молодых вулканических
областях, в частности при горизонтальном залегании пластов. Для таких
областей, как показала практика подземного строительства, геотермичес-
кая ступень может резко снижаться до 11—15 и даже до 7 м (Санторино,
Италия).
Здесь следует отметить, что обводнение зоны тоннеля подземными водами
с нормальной температурой может значительно способствовать ее охлаж-
дению. Такая обстановка обычно создается при проходке тоннеля в связи
со значительным притоком воды в толще карбонатных (известняки и доло-
миты) и тем более закарстованных пород.
6 Заказ № 549 1 61
. В этом отношении показателен пример проходки Военнейрского тоннеля,
где температура под охлаждающим воздействием воды в толще карбонатных
пород на глубине 1000 м от поверхности не превышала 9,4°.
Не исключена возможность вскрытия при тоннельных работах в вул-
канических районах источников вредных для строителей газов (метан,
углекислый газ, сероводород). Во избежание помех, способных иногда
вызвать остановку тоннельных работ на некоторый срок, необходимо свое-
временными исследованиями устанавливать возможность появления вред-
ных газов. Эти исследования заключаются, в частности, в замере темпера-
туры на различных глубинах в буровых скважинах.
В заключение отметим, что в ряде случаев минерализованные воды,
поднимаясь по трещинам в поверхностные горизонты в связи с пониже-
нием давления и температуры, отлагают по стенкам трещин приносимые ими
в растворе минеральные вещества. Таким образом, нередко оказывается,
что трещины в толще горных пород, возникшие в результате древнейших
дислокаций, являются полностью выполненными теми или иными мине-
ральными продуктами, в частности жильным кварцем или кальцитом.
ГЛАВА 12
ЗАКОНЫ, ОБУСЛОВЛИВАЮЩИЕ ДВИЖЕНИЕ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
Связь уровня подземных вод с дебитом подземного потока. Большинство
практических задач связано с необходимостью установления водоносности
того или иного пласта. В этом случае говорят о расходе потока, или его де-
бите, подразумевая под этими понятиями объем воды, проходящей через
некоторое сечение в единицу времени. Измеряя расход, или дебит (обозна-
чим его через q или Q), в кубических метрах в 1 сек. (м3/сек) или в литрах в
1 сек (л/сек), можно выразить этот расход в виде зависимости
g = (12-1)
где со — площадь сечения некоторого выделенного пласта, через который
. фильтрует вода;
v — кажущаяся скорость фильтрации, приведенная ко всему этому
сечению со.
Вполне понятно, что, так как мы скорость течения воды отнесли ко все-
му сечению со, у не будет отвечать истинной скорости потока, а соответ-
ствует некоторой приведенной скорости, которая всегда меньше истинной
»0, и может быть названа кажущейся скоростью. Очевидно, что при пористос-
ти п, измеряемой обычно в пределах от 0,25 до 0,5.
= (12-2)
162
Очень часто водоносная толща оказывается сложенной из ряда пластов с
различной водопроницаемостью и, следовательно, с различной скоростью
протекания в них воды. В этом случае для установления общего фильтра-
ционного расхода Q через определенное сечение шириной а для всей толщи
в целом мы должны иметь геологический профиль по этому сечению,
чтобы судить о мощности каждого водоносного пласта hL, слагающего водо-
носную толщу, и о действующих в тех или
иных элементах селения скоростях движения
грунтовой воды Тогда
Q = ^ahL о, . (12-3)
Рассмотрим вопрос о гидравлическом ре-
жиме напорного подземного потока (рис, 12-1).
Подземный поток движется в водоносном плас-
те В, сложенном галечниками, которые пере-
крыты и подстилаются водоупорными глинисты-
ми пластами Л и С. В двух точках на расстоя- рВ
нии L в водоносный пласт для наблюдения за Цц
напорами потока заложены трубки 1 и 2. =
Эти трубки именуются пьезометрическими или
просто пьезометрами.
Вследствие напора вода заполняет трубки
и поднимается в них соответственно до неко-
торых уровней и ^Н2. Эти .уровни называ-
ются пьезометрическими.
Введем понятие о действующем напоре Н.
Рис. 12-1. Гидравличес-
кие элементы напорного
подземного потока:
1 и 2 — пьезометрические труб-
ки; А и С — пласты -глин; В —
водоносный горизонт в галечни-
ке; /7 j и Н?— пьезометрические
уровни
Н = уН1 — уН2.
(12-4)
Очевидно, что при стоянии воды в наблюдательных трубках на одном
уровне, т. е. при условии движение воды в водоносном пласте
отсутствует. В противном случае возникает поток.
Опыт показывает, что при прочих равных условиях расход q зависит от
величины отношения действующего напора Н -к длине пласта, т. е. пути
фильтрации L. Это отношение называется гидравлическим градиентом, и
< обозначается через I. Таким образом,
7 = 4; (12-5)
9 = А(К (12-6)
4з выражения (12-1) видно, что расход является функцией от скорости
движения воды. Следовательно, можем написать также, что
о = -- .(12-7)
6*
163
Необходимо отметить, что в рассматриваемых условиях
/ = tga, (12-8)
где а — угол наклона прямой падения напора по длине пути фильтрации
по отношению к горизонту.
Таким образом, градиент / отвечает по величине, как мы говорим, ук-
лону пьезометрической поверхности.
В природных условиях мы постоянно встречаемся с изменением вели-
чины гидравлического градиента / по длине пласта.
Участки с менее резким падением пьезометрической поверхности, иначе
говоря, с более низким значением гидравлического градиента /, свидетель-
йодоупорный слой
Кридая депрессии^
. Водопроницаемый слой
г
X
Рис.. 12-2. Схема подземного потока со
свободной поверхностью °
ствуют о пониженном сопротивле-
нии движению напорной воды за
счет большой водопроницаемости
породы или за счет расширения
сечения водоносного пласта, и на-
оборот.
Уклон свободной поверхности
грунтовой воды, подчиняясь об-
щему падению, диктуемому раз-
ностью уровней водоразделов
грунтовых вод и водоемов, куда
эта вода в своем движении посту-
пает, также не остается на всем
протяжении пути фильтрации пос-
тоянным (рис. 12-2). Градиент /
изменяется с изменением сопро-
тивления фильтрации воды на том или ином участке, причем увеличение
сопротивления и повышение градиента обусловливаются не только боль-
шей или меньшей водопроницаемостью грунта на этом участке, но также
изменением по длине пути фильтрации площади поперечного сечения под-
земного потока (в условиях плоской задачи — его глубины).
В природных условиях отдельные участки поверхности подземного
потока с различным падением сопрягаются более или менее плавными кри-
выми. Очевидно, что в этом случае мы можем говорить лишь о величине
градиента в каком-либо определенном сечении х, т. е.
dy
dx
(12-9)
При подобных обстоятельствах градиент / будет свидетельствовать об
угле, образуемом касательной к поверхности грунтового потока в точке
с координатами х, у и горизонтом.
Особенно резкое снижение уровня потока грунтовых вод наблюдается
16$
при подходе к дренирующему его водотоку или водоему. Сечение подзем-
ного потока здесь резко сужается, что при постоянном расходе сопровож-
дается увеличением его скорости. Такое положение может быть обеспечено
лишь при соответствующем увеличении гидравлического градиента /, т. е.,
иначе говоря, при увеличении кривизны поверхности уровня грунтовых вод.
Поэтому при подходе к дренирующей поток депрессии уровень грунтовых
вод приобретает вид более или менее крутой кривой, которая называется
кривой депрессии. Очевидно, что в каждой точке кривой депрессии градиент
I будет переменным и определяется уравнением (12-9).
Общее условие движения подземных вод. В свое время французским
ученым Дарси опытным путем была установлена следующая зависимость
скорости фильтрационного потока v от гидравлического градиента:
и = Дф/ (12-10)
или в общем виде
« = (12-11)
где Дф— некоторый показатель, характеризующий водопроницаемость по-
роды и зависящий от характера и степени ее пористости. Показа-
тель Дф носит название коэффициента фильтрации.
Зависимость (12-10), имеющая чрезвычайно большое значение в гид-
рогеологии, носит название закона Дарси. Выражение Дарси соответствует
медленному и спокойному (струйчатому) движению воды в грунте, отвеча-
ющему ламинарному режиму.
При градиенте 1=1 выражение (12-10) приобретает вид
= щ (12-12)
Иначе говоря, под коэффициентом фильтрации Кф, характеризующим
водопроницаемость данного грунта в количественном выражении, мы по-
нимаем скорость движения воды в данном грунте при градиенте, равном 1.
Ясно, что / = 1 соответствует падению уровня воды с уклоном а=45° к
горизонту. Коэффициент фильтрации измеряется в см/сек, м/сек,
м/сутки и т..д.
Ввиду того что коэффициент фильтрации глинистых пород обычно из-
меряется очень небольшими величинами, удобно изображать его посред-
ством отрицательных показателей степени.
Коэффициент фильтрации различных пород изменяется в очень широких
пределах. В табл. 17 приводятся ориентировочные значения коэффициента
фильтрации Кф Для различных пород.
Следует отметить, что степень проницаемости глинистых грунтов
зависит от величины самого градиента. При некоторых малых значениях гра-
диента они оказываются практически водонепроницаемыми. Это обстоятель-
165
Таблица 1 /
Коэффициент фильтрации пород
Характеристика пород по водопроницаемости
Практически водонепроницаемые (глины, монолитные скалистые по-
роды) ........... ..................
Весьма слабо водопроницаемые (суглинки, тяжелые супеси, не-
трещиноватые песчаники и т. д.) ....... . .........
Слабоводопроницаемые (супеси, слаботрещиноватые глинистые
сланцы, песчаники, известняки и т. д.) ..............
Водопроницаемые {тонкозернистые и мелкозернистые пески, тре-
щиноватые скалистые породы) ..... ....................
Хорошо водопроницаемые (среднезернистые пески, скалистые
породы с повышенной трещиноватостью) . ... ....... .
Сильно водопроницаемые (крупнозернистые гравелистые пески,
галечники, сильно трещиноватые скалистые породы) .......
Коэффициент
фильтрации
м/сутки
Менее 5'10 5
5-Ю-3
0,5
5
50
500 и более
ство вызывается наличием на поверхности глинистых частиц водных обо-
лочек, тесно связанных с ними («связанная вода»). Оболочки блокируют наи-
более узкие и сужают более широкие поры в породе. В этих условиях
фильтрация в глинистых грунтах начинается лишь при некоторой величине
градиента, который называется начальным (/нач). При всех более высоких
значениях градиента фильтрация через такие породы идет, подчиняясь
закону Дарси.
Величина градиента /нач, при котором грунт начинает фильтровать, за-
висит от плотности глинистого грунта и во многих случаях оказывается
весьма значительной (от 5—10 до 50).
Начальный градиент /нач оказался весьма ощутимым по своей величине,
и, например, для торфа /нач = 1,5-уЗ, что определяет малую его водопрони-
цаемость.
Понятие о начальном градиенте впервые дано в трудах советских уче-
ных Н. П. и Т. Н. Пузыревских. В дальнейшем этим вопросом занимались
Б. Ф. Рельтов, Р. А. Роза и в настоящее время Э. М. Добров (МАДИ)
и др. К нему мы еще вернемся в дальнейшем при рассмотрении некоторых
положений механики грунтов (см. гл. 25).
Напомним, что зависимость Дарси соответствует ламинарному движе-
нию грунтовой воды. Иначе говоря, выражение (12-10) применимо во всех
случаях для мелких и средних песков, при достаточно высоких градиентах
для глинистых грунтов, а при малых градиентах для грубообломочных и
трещиноватых пород.
166
В крупном гравии, галечнике или трещиноватых породах при достаточ-
но высоких значениях градиента / имеет место турбулентное (вихревое)
движение подземного потока. Для этого случая А. А. Краснопольским уста-
новлена зависимость
%.р6 = Л'фИ/. (12-13)
В природных условиях градиент I измеряется долями единицы (тысяч-
ными, сотыми, редко десятыми). При этом извлечение корня из / по выра-
жению (12-13) ведет к ошибке в увеличении скорости утурб иногда во много
раз.
Переход от ламинарного движения к турбулентному определяется не
столько размером пор и шириной раскрытия трещин, сколько величиной
гидравлического градиента / и, следовательно, скоростью фильтрации
отурб. Отсюда возникло понятие о критической скорости при которой
нарушается линейная зависимость скорости фильтрации от градиента, т. е.
закон Дарси.
Критическая скорость даже для крупнозернистых песков оказалась очень
высокой — порядка 400 м/сутки. Такие скорости в действительности наблю-
даются очень редко. Поэтому обычно полагают, что фильтрация в песках
подчиняется ламинарному режиму.
В другом положении оказывается вопрос о движении подземных вод в
трещиноватых породах. Здесь в определенных условиях мы можем в зави-
симости от градиента столкнуться как с ламинарным, так и с турбулентным
режимом.
Для перехода режима от ламинарного к турбулентному используется
зависимость Смрекера.
1 = (12-14)
При т=1 зависимость Смрекера обращается в закон Дарси, при/ц=2 —
в зависимость Краснопольского. Переходный режим фильтрации опреде-
ляется значением т от 1 до 2.
Однако и в трещиноватых породах при малых скоростях фильтрации,
т. е. при малых градиентах, поток очень часто носит ламинарный ха-
рактер.
Законы движения подземных вод в трещиноватых породах наиболее
полно раскрыты в работах Г. М. Ломидзе.
Используя зависимость Дарси, Смрекера и Краснопольского, мы можем
переписать основную формулу (12-1) для определения расхода подземного
потока q в следующем виде:
для ламинарного режима q — а>Кф7; (12-15)
» переходного » q = шКф И1 ; (12-16)
» турбулентного » q — w/Сф ]/7 . (12-17)
167
Отсюда следует, что для установления расхода некоторого водоносного
пласта мы во всех случаях должны знать площадь сечения потока (в усло-
виях плоской задачи — его мощность или глубину), коэффициент фильтра-
ции породы как показатель его водопроницаемости и, наконец, действующий
в данном сечении гидравлический градиент. Для переходного и турбулент-
ного режимов необходимо также располагать данными о значении показа-
теля т.
Величина сечения определяется геометрическими формами и размерами,
в частности замерами мощности водоносного пласта и его протяженностью.
Гидравлический градиент устанавливается замерами уровней грунтовых
вод в двух смежных точках в скважинах или колодцах и пьезометрических
уровней для напорного потока. Эти точки должны быть выбраны по направ-
лению потока. При разности отметок уровней воды в этих двух точках И
и расстоянии между ними по линии потока L величина гидравлического
градиента / определится выражением (12-5).
При использовании карты с гидроизогипсами Н определяется как раз-
ность отметок двух смежных гидроизогипс, a L — как кратчайшая линия
между этими гидроизогипсами, проходящая через интересующую нас точ-
ку (сечение).
Важнейшей гидрогеологической характеристикой является коэффи-
циент фильтрации Кф породы водоносного горизонта. В силу этого при лю-
бом гидрогеологическом обследовании площадки коэффициент фильтрации
водоносных пород должен быть определен тем или другим методом.
Г Л АВ А 13
~ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ФИЛЬТРАЦИИ
Определение коэффициента фильтрации расчетом. Величина коэффи-
циента фильтрации Кф определяется величиной сопротивления грунта про-
хождению через него воды, само же сопротивление зависит от степени шеро-
ховатости стенок канала, по которому движется вода, и главным образом от
размеров канала. С уменьшением сечения трубки сопротивление течению
воды по ней возрастает чрезвычайно сильно. Этим объясняется исключитель-
но малая водопроницаемость глин, обладающих большой тонкостью состав-
ляющих породу частиц и, следовательно, исключительно малыми размера-
ми пор. С этой точки зрения очевидно, что водопроницаемость песков будет
возрастать с увеличением их крупности и однородности. При резко неодно-
родном составе песка поры, образуемые более грубыми частицами, могут
в большей или меньшей степени оказаться заполненными более мелкими
фракциями. В таком случае коэффициент фильтрации грунта будет обуслов-
ливаться размером пор более мелкого заполняющего материала. Так, чистый
галечник характеризуется исключительно высоким значением коэффициен-
те
та фильтрации, а коэффициент фильтрации галечника с порами, заполнен-
ными песком, может оказаться нередко дйже меньше коэффициента фильтра-
ции самого заполнителя. Ясно также значение окатанности зерен, способ-
ствующей образованию гладких поверхностей, и степени плотности песка
(пористости), играющей немаловажную роль в водопроводимости пород.
С понижением температуры водй возрастает ее вязкость, и в этом случае
!’ сопротивление движению воды по порам будет возрастать, что приводит
к уменьшению скорости фильтрации и соответствующему (фиктивному)
уменьшению коэффициента фильтрации грунта. Совершенно очевидно, что
возможное воздействие на величину коэффициента фильтрации большого
числа многообразных факторов может быть достоверным образом установ-
лено лишь опытом — путем соответствующего испытания данной породы.
Однако в ряде случаев для приближенной оценки водопроницаемости пес-
ков может оказаться полезной одна из многочисленных эмпирических
юрмул, связывающих коэффициент фильтрации породы с ее грануломет-
чческим составом. Известны формулы Хазена, Слихтера, Крюгера, Козе-
и. Цункера, Замарина, Терцаги и др. В подобных формулах учитываются
температура фильтрующей воды, пористость песка, степень его однороднос-
ти и т. д. Однако определение коэффициента фильтрации песка лишь по его
гранулометрическому анализу является столь грубо приближенным, что
во многих случаях учет всех этих факторов теряет практический смысл.
Наиболее простым выражением для подсчета величины коэффициента
фильтрации для наиболее часто встречающихся условий является формула
/Сф= 1500 dio м!сутк.и, (13-1)
где diQ— действующий диаметр, мм.
Отметим, что действующий диаметр diss соответствует тому диаметру
частиц, мельче которых в песке содержится 10% от общего его веса.
Во многих случаях эта формула дает достаточно хорошее приближе-
ние к экспериментальным данным.
Пример. Допустим, что dlo=O,25 мм. Тогда
Кф =1500-0,0625 =93,7 м! сутки.
Более достоверные значения коэффициентов фильтрации песчаных грун-
"ов получают опытным путем в результате лабораторных и полевых работ.
Е. Энгелундом (Дания) предложена формула для оценки влияния на ве-
личину коэффициента фильтрации песка изменения его плотности
Здесь е — коэффициент пористости песка, при котором определяется Кф',
Ki— коэффициент фильтрации песка при 8Х=1,0.
(13-2)
169
Лабораторные методы опре
ления коэффициента фильтра?^
Принцип лабораторного опр '
ления коэффициента фильтр; '
заключается в следующем, В ' ю
линдрический сосуд помещают
пытываемый грунт и подают .у,
которая фильтруется через п-г
под некоторым напором. Во 1
опыта замеряют расход npoq
тровавшейся воды, время и оп
деляют величину гидравличест :
го градиента,
Зная сечение образца и оп
ределив'-расход q и градиент, 1
находят коэффициент фильтраций
по известным уже нам формулам
(is-а
кф=-~. (133
Рис. 13-1. Схема фильтрационного при-
бора:
1 — испытуемый грунт; 2 — сетка; 3 — водоотвода -
щие отверстия в подставке 4; 5 —пьезометрические
трубки; 6—еодоподеодящий кран; 7 ^запасной
слив; 8—слив, контролирующий уровень нижне-
го бьефа; 9 — мерный цилиндр
При ? испытании грубозернис
тых грунтов с целью выявлени
применимости для данного случа
закона Дарси или Краснопольси
го опыт проводят при несколью
различных градиентах.
На рис. 13-1 приведена cxei
и общий вид фильтрационно]
прибора, достаточно хорошо saj
комендовавшего себя на практ
ке. Испытываемый грунт помет
ют в стеклянный сосуд А сечением 75 см2 или более таким образом, ч,
над ним остается свободный слой воды. Сверху и снизу образца р;
полагаются сетки. Нижняя сетка удерживает образец, верхняя — щ
пятствует его размыву струей воды из крана 6. Действующий напор Н оба
печивается поддерживанием разницы в уровнях воды в сосудах А и Б.
годаря определенному высотному положению слива 8 вода в сосуде!
поддерживается во всех случаях на постоянном уровне. Уровень в сосуд
поддерживается на желаемом горизонте путем регулирования крага
или за счет нескольких контрольных сливов, помещаемых на разной |
170
соте (на схеме не показаны). Меняя положение этого уровня^ а также вы-
' соту L столба грунта в сосуде Л, можно проводить опыт при любых зна-
чениях среднего градиента:
Гр=-?. (13-5)
Расчетные фактические градиенты /1расч и /2расч определяются в со-
ответствии с показаниями пьезометров (по разности отсчетов и Л2) по
выражениям
(13-6)
₽.„=->• (‘З-Э
Здесь l.L и /3— длина пути фильтрации между приемниками соответствую-
щих пьезометрических трубок.
Наряду с приборами этого типа существуют другие с подачей в них воды
из высоко расположенных сосудов. При определении коэффициента филь-
трации в приборах подобного
типа величину активного гид-
равлического градиента нередко
определяют исходя из непра-
вильного представления о дей-
ствующем напоре как разности
между уровнями воды в пи-
тающем сосуде и самом фильт-
рационном приборе. В данном
случае не учитываются потери
напора в подающем шланге,
ниппеле и в фильтре. Это об-
стоятельство, в особенности при
опробовании грубозернистых
Статический-
3enPeccU
7
" цро6ёнь\ боды
Лг
Рис. 13-2. Расчетная схема по определению
коэффициента фильтрации в полевых усло-
виях методом откачки
хж к
Л
грунтов, может привести кочень
большим ошибкам.
Более достоверные определения коэффициента фильтрации некоторой тол-
щи пород достигаются полевыми опытами при сохранении структурных осо-
бенностей грунтов и учете природных условий их залегания. Наиболее рас-
пространенный метод определения коэффициента фильтрации в полевых ус-
ловиях заключается в установлении зависимости достигнутого понижения
уровня грунтовых вод при той или иной интенсивности откачки воды из
выработки (скважины, шурфа) с наблюдением за достигнутым понижением
в наблюдательных скважинах, расположенных «по лучу» на некотором рас-
171
стоянии от центральной выработки. В этом случае используются в различ
ной интерпретации и модификации выражения вида
Здесь q — расход воды, откачиваемый из центральной выработки, обеспе
чивающий постоянство в ней сниженного уровня;
х3 и лд— соответствующие расстояния двух наблюдательных скважин о
центральной выработки;
у2 и у{— то же, стояние в них уровней, достигнутых водопонижением :
центральной выработке (рис. 13-2).
При оценке в полевых условиях коэффициента фильтрации толщ, свобод
ных от грунтовых вод («сухих»), используется метод «с наливом и нагнета
нием воды» в скважины. В простейших случаях для указанной цели при
меняется метод Болдырева с наливом воды в опытные шурфы.
ЧАСТЬ V
ФИЗИКО ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ
ГЛАВА 14
ВЫВЕТРИВАНИЕ И СВЯЗАННЫЕ С НИМ ЯВЛЕНИЯ
Процессы выветривания. Выветриванием называется процесс разруше^
.щя и изменения состава, а также состояния горных пород на месте их зале-
гания под воздействием физических явлений, химических процессов и дея-
тельности различных организмов* **.
Продукты современного выветривания горных пород, оставшиеся на
месте своего образования и перекрывающие поверхность исходных пород,
в них переходят,
или элювиальными
элювия в
назы- «4777^
от- л&’оШ
которые постепенно
ваются элювием * *
ложениями. Характер перехода
стилающую его коренную породу иллюстрируется
рис. 14-1.
Различают следующие виды выветривания:
а) физическое, или механическое-,
Рис. 14-1. Разрушение
глинистого известняка
выветриванием:
1 — выветрелая порода; 2 —
продукты выветривания —
суглинок с грубообломочны-
ми включениями (элювий)
б) химическое;
в) биологическое, или органическое.
На горные породы все указанные виды вывет-
ривания обычно действуют одновременно, однако
проявляются они в зависимости от климатичес-
ких, а также других местных условий с разной
степенью интенсивности.
Под влиянием процессов физического выветривания
обычная для скалистых пород трещиноватость прогрессирует. В развитии
этого процесса существенную роль играют температурные напряжения,
связанные с резкими суточными колебаниями температуры, а также вода.
Вода, попадая в отдельные трещины и замерзая в них, развивает колос-
сальное боковое давление, создавая дополнительные условия для дальней-
шего расчленения скалистых массивов.
В результате длительного воздействия указанных выше факторов массив
скалистых горных пород постепенно все более и более расчленяется на
отдельные элементы — блоки. Толща скалистых пород часто приобретает
* Совокупность изменений в горной породе под влиянием процессов выветрива-
ния получила название гипергенеза от греческого hyper (над, сверх) и genesis (проис-
хождение).
** От латинского eluvio — разлив, наводнение.
173
вид неправильной каменной кладки (рис. 14-2). В других случаях толща
пород под воздействием процессов выветривания приобретает плитчатое
или матрацевидное строение, особенно характерное для гранитов. С течением
времени подвергаются дальнейшему расчленению и эти образования, соз-
дающие скопления щебня и дресвы.
Рис. 14-2. Характер выветривания толщи
магматических пород (траппы-диабазы)
Образующиеся при выветри-
вании скалистых пород глыбы,
более или менее крупные ос-
колки, щебень и дресва или ос-
таются на месте, погребая под
собой материнскую породу, или
смещаются вниз по склону. Так
возникают обвалы (рис. 14-3,
слева) и осыпи (рис. 14-3,
справа).
Процесс физического или ме-
ханического 'выветривания ха-
рактерен преимущественно для
областей с суровыми континен-
тальными условиями, в частно-
сти для высокогорных районов.
Химическое вывет-
ривание горных пород про-
исходит в основном под воздей-
ствием газов, содержащихся в
атмосфере, а также воды с рас-
творенными в ней солями и газа-
ми (главным образом кислорода
и углекислого газа) и одно-
временно продуктов разложения
органических веществ. Особен-
но интенсивно поддаются тако-
му выветриванию породы, пред-
ставляющие собой хорошо растворимые в воде химические осадки (камен-
ная соль, гипс и т. д.). Химическому выветриванию подвергаются также
карбонатные породы, например известняки и доломиты, что обусловливает-
ся относительно малой' химической устойчивостью этих пород.
Из магматических пород, выведенных в результате тех или иных про-
цессов на поверхность, наименее стойкими являются породы глубинного
происхождения (граниты, диориты и т. д.).
В выветривании магматических пород, в первую очередь гранитов, весь-
ма большое значение имеет разложение полевых шпатов. Этот процесс
идет под воздействием влаги и углекислого газа и завершается образова-
174
нием каолина (Al2O3-2SiO2-2H2O). Этот сложный процесс в упрощенном
виде может быть представлен следующим уравнением: '
К2о А12О3 • 6SiO2 +1 он2о + со2 =
= К2СО3 4- 4 (SiO2-2H2O) 4- Al2O3-2SiO2-2H2O
Здесь K2O-Al2O3-6SiO2—калиевый полевой шпат (ортоклаз);
К2СО3— растворимый в воде углекислый калий (поташ);
SiO2-2H2O — гидрат окиси кремния (опал).
Углекислый калий выносится из продуктов выветривания водой. Гид-
рат окиси кремния выносится из них водой лишь отчасти, в основном же
остается на месте, образуя сростки опала, халцедона и роговика. В ко-
нечном итоге в результате химического
выветривания полевого шпата образуются
скопления глиноподобной массы — каоли-
на, в котором часто находят эти срост-
ки.
Рис. 14-3. Обвал в скальном массиве, подвергнутом выветриванию (слева), и
осыпь (справа). Скопление грубообмолоченного материала в основании осыпи
Химическое выветривание особенно интенсивно проявляется в условиях
влажного и теплого климата.
Процессы биологического, или органического, в ы-
ветривания весьма разнообразны. Существенную роль в этих про-
цессах играют различные микроорганизмы и растительность.
Растительность воздействует на горные породы как механически (рас-
пирающая роль растущих корней, раскачивание высоких деревьев ветром),
так и химически (кислоты, выделяемые корневой системой). Особенно ин-
175
тересны в этом отношении всякого рода мхи и лишайники, способные разъе-
дать поверхность даже самых твердых пород.
Роль микроорганизмов в биологическом выветривании еще недоста-
точно изучена, однако большое значение их как активаторов химических
процессов несомненно. Немалую роль в данном случае играет жизнедея-
тельность животных (насекомых, земляных червей, землероев) и даже че-
ловека.
По своему петрографическому (минералогическому и химическому)
составу элювий всегда тесно связан со своей исходной породой. Элювий
кислых магматических пород наряду с обломками самой породы и глинис-
тыми продуктами распада полевых шпатов характеризуется относительно
более богатым содержанием кварцевого песка. В элювии, образовавшемся
из основных магматических пород, более бедных SiO2, кварцевого песка
будет меньше; в основном он представлен суглинком, в той или иной мере
обогащенным обломочными продуктами.
При разрушении песчаников элювий представляет собой скопление об-
ломков породы и в конечном итоге песчаных масс, обычно заглиненных.
В результате описанных процессов трещины в толще выветрелых ска-
листых пород оказываются обычно выполненными глинистыми продуктами
распада самой породы. На последующей стадии разрушения порода все более
и более обогащается глинистым материалом. Известняки, выветриваясь
и разрушаясь, перекрываются суглинистым слоем с большим или меньшим
содержанием обломков породы и известкового щебня. В конечном итоге
продукты выветривания большинства горных пород обычно бывают пред-
ставлены глинами или суглинками с большим или меньшим содержанием
обломочного материала. Глинистые сланцы дают рыхлые скопления листо-
ватых обломков во многих случаях оглиненных.
Коренные глинистые породы при выветривании в сильной степени те-
ряют свою прочность. В результате выветривания порода обогащается тон-
кодисперсной частью состава (частицами меньше 0,001 мм) с появлением
часто новых вторичных глинистых минералов, например из группы монт-
мориллонита.
Монтмориллонит, отличается большой гидрофильностью, т. е. способ-
ностью удерживать в себе большое количество влаги, резко увеличиваясь
при этом в объеме (до 18 раз против первоначального). В условиях увлаж-
нения это ведет к разрыву структурных связей в породе и к снижению ее
прочности. В итоге прочная глинистая порода в невыветрелом состоянии
в результате выветривания нередко может превратиться в грунтовую мас-
су с высокой пластичностью и гидрофильностью.
Процесс выветривания относительно водоустойчивых пород идет лишь
на горизонтах выше уровня поверхностных и подземных вод, т. е. в зоне
интенсивного физического выветривания. Отсюда следует, что наиболь-
шую мощность зоны выветрелых пород следует ожидать в тех районах, где
176
б течение весьма длительных сроков времени рассматриваемый массив на-
ходился в континентальных условиях и был представлен сушей. Глубина
проникновения факторов выветривания рядом исследователей определяется
различно. Гранитовый массив в районе ХрамГЭС (Грузия) оказался по
трещинам поражен выветриванием на глубину свыше 200 м. Максималь-
ную глубину указывает Б. Б. Полынов (0,5 км).
В результате длительного воздействия процессов выветривания на
поверхностные горизонты земной коры создается так называемая кора
выветривания. Кора выветривания, образовавшаяся в предшествующие гео-
логические эпохи, называется древней. Древняя кора выветривания нередко
достигает значительной мощности (на Северном Урале 300—400 м).
Наиболее интенсивно процессы выветривания идут в основном в поверх-
ностной зоне толщи до глубины порядка нескольких десятков метров.
При некоторых условиях процесс выветривания пород на открытых по-
верхностях может идти достаточно быстро. Так, например, согласно данным
М. И. Евдокимова-Рокотовского*, даже прочные магматические породы,
как, например, кварцевые порфиры, способны за 15—20 лет превратиться
с поверхности и в отвалах в пластичную глину с кристаллами кварца. Пестро-
цветные девонские глины, подвергнутые воздействию атмосферы во вскры-
том котловане, приобрели с поверхности все признаки быстрого и интен-
сивного выветривания в течение нескольких дней. Также быстро выветри-
вались алевролиты (ваппы).
По наблюдениям Г. С. Золотарева, С. В. Дроздова и Н. В. Коломенского,
скорость распространения физического выветривания в толще глинистых
отложений исчисляется десятками сантиметров или даже метрами в год.
Особенно пагубным в этом отношении оказывается многократно повторя-
ющееся периодическое намокание (смачивание) и высушивание глинистых
пород. Борьба с этими процессами в откосах выемок очень трудна. Здесь
следует отметить благоприятные результаты опытных работ по защите в
южных районах страны легковыветривающихся мергелей побелкой их вскры-
тых поверхностей, обращенных к югу.
Как уже отмечалось выше, особенно легко выветриваются глинистые
сланцы и сланцеватые глины. В этом отношении показателен пример про-
ходки одного из тоннелей Армавир-Туапсинской железной дороги. Встре-
ченные здесь при проходке коренные майкопские глины под воздействием
выветривания легко и быстро распадались на мелкие чешуйчатые отдель-
ности, непрерывно образуя большие осыпи.Такие породы требуют быстрой
проходки и обделки тоннеля одеждой.
Основное значение выветривания как инженерно-геологического про-
цесса заключается в ослаблении подвергающихся выветриванию горных
* М. И. Е. вдокимов-Рокотовский. Основы геологии при проведе-
нии тоннелей. Лагур-Аульский тоннель. Хинган, 1928.
177
пород, связанном с их дезинтеграцией (расчленением) и разложением. Со-
противляемость нагрузке выветрелых скалистых горных пород оказывает-
ся во всех случаях в той или иной мере сниженной (в основном за счет струк-
турного сцепления породы). Этот фактор находит отражение прежде всего
в повышенной трещиноватости толщи. В результате нередко наблюдаемой
каолинизации выветрелые породы обычно характеризуются повышенной
глинистостью. Последнее обстоятельство, естественно, наиболее сильно
сказывается при увлажнении породы, в частности в береговых склонах при
затоплении их паводками. К этому надлежит добавить, что процесс вывет-
ривания в толще горных пород идет обычно неравномерно, приурочиваясь
в основном к ослабленным зонам, что часто приводит к значительной неод-
нородности выветрелой толщи как по составу, так и по состоянию.
Указанные выше условия, естественно, приводят к снижению несущей
способности оснований и, в частности, мостовых опор, сложенных вывет-
релыми горными породами, и к увеличению горного давления в тоннелях,
заложенных в выветрелых горных массивах. Увеличение горного давления
в тоннелях возникает при этом обычно на участках трассы вблизи от порта-
лов, где процессы выветривания проявляются обычно наиболее интенсивно
(поверхностная зона склонов). Такой случай в свое время имел место при
проходке тоннеля Аджарис-Цхали (Закавказье), где на портальном участке
произошел обвал сильно выветрившегося глинистого песчаника. Этот обвал
повлек за собой человеческие жертвы.
Следует иметь в виду, что в областях тектонического дробления, разры-
вов, смятия, скалывания пород и, в частности, в ядрах пережатых складок
зона активного выветривания может измеряться по глубине многими де-
сятками метров («карманы»).
Таким образом, выветрелые массы пород могут быть встречены в тон-
нелях не только в зоне порталов, но также на локальных, в той или иной
мере дислоцированных участках трассы, характеризуемой в основном здо-
ровыми и прочными породами. Все эти явления, естественно, влекут за
собой осложнение проходки тоннелей и необходимость усиления их обделок
на таких участках.
Падение несущей способности основания из-за выветривания слагающих
грунтов делает необходимым для обеспечения общей устойчивости, напри-
мер, мостовых опор и уменьшения осадки сооружения снижение давления
на грунт в их подошве или использовать более глубокое заложение опор.
Неоднородность затронутой выветриванием толщи, естественно, влечет
за собой неравномерность осадки как каждой опоры в отдельности, так и
всего мостового сооружения в целом. Отсюда возникает опасность перекоса
высоких опор и осложнения в расчете многопролетных неразрезанных кон-
струкций. При этих условиях в большинстве случаев целесообразно отка-
зываться от таких конструкций и переходить к балочным конструкциям
разрезного типа.
178
Снижение прочности пород при интенсивном выветривании скалистых
массивов, все большее членение его трещинами ставит под сомнение вопрос
о возможности возведения в подобных условиях мостов в виде арок (за ис-
ключением трехшарнирных) из-за невозможности обеспечить в этих случаях
потребную незыблемость их опор (рис. 14-4). Последнее условие приобре-
тает особенно важное значение при наличии в бортах долины и тем более
ущелий выветрелых каолинизирован-
ных скалистых пород с ясно выра-
женной отдельностью и пластовой
трещиноватостью, с падением их в
сторону долины. В подобных случаях
возникает опасность смещения опор в
результате сдвига толщи или ее об-
рушения. При наличии в трещинах
глинистого заполнителя эта опас-
ность возрастает в еще большей сте-
пени.
Особенно малой устойчивостью
обладают выветрелые метаморфичес-
кие сланцы, подобные филлитам,
слюдистым и тем более хлоритовым и
тальковым сланцам.
Общая устойчивость береговых
опор, в особенности при малом их
удалении от береговой бровки, во
многих случаях может оказаться под
сомнением. В этих условиях оправ-
дано требование строителей о возве-
дении мостовых опор, равно как и
прочих сооружений, на поверхности
здоровой толщи, после того как бу-
дет снят весь слой разрушенной вы-
Рис. 14-4. Выветрелая интрузивная
порода (дуниты) в котловане берего-
вого устоя
ветриванием породы.
Процессы выветривания, которые могут приводить к резкому снижению
прочности и несущей способности глинистых пород, идут исключительно
быстро (иногда на несколько сантиметров в сутки), и с ними необходимо счи-
таться во всех случаях.
Преждевременное вскрытие котлованов наблюдается достаточно часто.
В этих условиях, в особенности в глинистых породах, приобретают большое
значение морозное выветривание и дополнительное увлажнение грунтов
скапливающимися атмосферными и грунтовыми водами. При этом оказывает-
ся необходимым отказываться от преждевременного вскрытия котлованов,
в особенности в зимний период. При невозможности выполнения этого тре-
179
бования рекомендуется во всех случаях оставлять на дне котлованов защит-
ный слой не менее 0,5 м, который должен сниматься непосредственно перед
заложением самого фундамента.
В заключение необходимо снова отметить, что принципиально наиболее
простое решение задачи заключается в возведении сооружений на толще
здоровых выветрелых пород, для чего необходимо снять покрывающие их
массы разрушенного грунта. Вместе с тем при выборе трасс мостовых пе-
реходов и тоннелей необходимо стремиться к расположению сооружений
в условиях наименьшего накопления выветрелых масс породы и наимень-
шего развития мощности зоны активного выветривания с целью обеспечения
практической возможности удовлетворения указанного выше требования.
Мощность элювия определяется характером горных пород, подверг-
шихся выветриванию, условиями их залегания, стоянием уровня подзем-
ных вод и климатическими условиями.
В силу малой устойчивости элювия его мощность оказывается наимень-
шей на крутых склонах (вплоть до нулевой). Вместе с тем, как это уже ука-
зывалось выше, в областях развития древней коры выветривания при низ-
ком стоянии подземных вод и соответствующих климатических условиях
(континентальный климат, высокогорные условия) мощность зоны актив-
ного выветривания пород резко возрастает и может измеряться многими
десятками метров. Очевидно, что съем этих масс во исполнение требования
о возведении сооружений на коренной породе является совершенно нере-
альным. В подобных условиях при проектировании опор или самих соору-
жений приходится считаться с фактом их обоснования на ослабленной толще
пород, к тому же во многих случаях недостаточно устойчивой в оползневом
отношении. При невозможности съема выветрелых масс следует предус-
матривать специальные инженерные мероприятия, способные обеспечить
прочность и устойчивость проектируемых сооружений уже в условиях, да-
леких от благоприятных.
Почвы. В определенных условиях процессы выветривания приводят
к образованию на поверхности грунтовой толщи почвенного слоя. Под поч-
вой понимают верхние («наружные») горизонты горных пород, измененные
совместным влиянием двух одновременно протекающих процессов: вы-
ветривания и почвообразования. В последнем случае преобладающими яв-
ляются биологические процессы.
Почвы являются функцией физико-географических условий, а именно:
климата, почвообразующей породы (материнская порода), растительности,
животного мира, рельефа местности и ее возраста. Основная роль в форми-
ровании типа почвы принадлежит климату. Остальные факторы — почво-
образователи имеют подчиненное значение и не влияют на выработку вида
почв; их деятельность ведет лишь к подразделению почвенных типов на
разновидности одного и того же типа почвы.
Поскольку климат является зональным, основные типы почв обнаружи-
ло
ватот также зональный, т. е. поясной, характер распределения их на земном
шаре.
В СССР по направлению с севера на юг различаются следующие зональ-
ные типы почв (рис. 14-5): 1) тундровые; 2) подзолистые и дерново-подзо-
листые; 3) серые лесостепные; 4) черноземы; 5) каштановые и бурые почвы
сухих степей; 6) сероземы пустынных степей и пустынь; 7) красноземы.
Помимо указанных основных типов зональных почв, имеются так на-
зываемые интрозональные почвы, т. е. почвы, которые могут встречаться
в нескольких зональных почвенных поясах. Наиболее широко распростра-
ненным типом интрозональных почв являются: на севере и в лесной зоне —
болотные почвы, а на юге — засоленные почвы (солонцы и солончаки).
Почвенные горизонты имеют обычно очень сложное строение и большую
пестроту. Тем не менее обнаруживается совершенно определенная законо-
мерность в их строении. Чаще всего выделяют два основных генетических
горизонта:
1) элювиальный, обозначаемый индексом А;
2) иллювиальный, обозначаемый индексом В.
Ниже горизонта В располагается материнская порода, которая обоз-
начается индексом С.
Горизонт Л обычно подразделяют на три горизонта:
Л °— дернина;
Л1— перегнойно-аккумулятивный, в котором происходит накопление
гумуса, т. е. перегнойных веществ;
Л2— выщелоченный, характеризующийся преимущественным выносом
веществ в горизонт В, в котором происходит накопление веществ, вымытых
из всех вышележащих почвенных горизонтов. Горизонт В поэтому иногда
называют горизонтом вмыва.
Ниже дается краткая характеристика почвенных типов.
Тундровые почвы в связи с большой влажностью воздуха и
слабой испаряемостью, свойственными высоким широтам, обычно заболо-
чены. Этому способствует также близкое залегание от поверхности в соот-
ветствующих районах водонепроницаемого слоя вечной мерзлоты. В связи
с низкими температурами процесс разложения органических веществ в
районе тундр идет исключительно медленно, поэтому тундровые почвы ха-
рактеризуются бедным содержанием перегнойных веществ. Большая рых-
лость этих почв, наличие в них большого количества плохо разложившихся
растительных остатков, быстрая размокаемость при увлажнении и большая
величина объемной усадки при высыхании делают эти почвы в строительном
отношении (и как основание, и как материал для дорожного полотна) весь-
ма неудовлетворительными.
Подзолистые и дерново-подзолистые почвы
характерны для пояса лесов. Горизонт Л2 своим белесым оттенком напо-
минает золу, откуда и получил свое название. Благодаря значительному
181
Рис. 14-5. Схематическая почвенная карта Европейской части
СССР (схематизирована Н. А, Качинским по карте Л. И. Прасо-
лова). Почвы:
1— тундровые; 2 — подзолистые (местами частично заболоченные);
3— горно-лесные подзолистые; 4 — дерновые перегнойно-карбонат-
ные вперемежку с подзолистыми; 5 — серые лесные и другие почвы
лесостепи; 6 — черноземные; 7 — каштановые с включением солон-
цов; 8—-бурые солонцы, иногда развеваемые; 9 — буроземы южных
лиственных лесов Крыма и Кавказа; 10 — красноземы, желтоземы и
субтропические подзолистые; И — граница распространения леднико-
вых валунов
количеству атмосферных осадков в этом поясе солевой состав подзолистых
почв обеднен вследствие вымывания солей. Вместе с тем нижний горизонт
почвы В. обогащается солями, приносимыми в него из покровного горизон-
та. Эти соли несколько цементируют почву в нижнем горизонте и придают
ей некоторую структуру: почва распадается на комки в виде небольших
орешков с острыми гранями или столбики.
Строительные свойства подзолистых и дерново-подзолистых почв раз-
личны в зависимости от состава материнской породы. В общем случае
они обладают достаточно удовлетворительными строительными свойствами,
в особенности песчаные и супесчаные их разности.
Серые лесные земли занимают промежуточное положение
между черноземными и подзолистыми почвами, являясь естественным пе-
реходом между ними. Серые лесные земли свойственны районам, где поло-
сы лесов чередуются с массивами степей. Такие районы именуются лесо-
степными. Серые лесные почвы обладают различными строительными свой-
ствами, приближаясь в одном случае к дерново-подзолистым, в другом —
к черноземам.
Черноземы характерны для степной полосы с теплым климатом,
где разложение растительных и животных остатков идет весьма интенсивно.
Благодаря этому почва обогащается перегноем, придающим ей черный
цвет. Мощность чернозема достигает 1 м, а в некоторых случаях даже выше.
Черноземные почвы являются по своим строительным свойствам весьма
неблагоприятными. Их высокая влагоемкость, липкость, быстрая размо-
каемость — все это приводит к тому, что в сухую погоду они сильно пылят,
в дождливую -— превращаются в липкую грязь, и грунтовые дороги стано-
вятся непроезжими.
Каштановые почвы распространяются к югу и юго-востоку
от черноземного пояса. Они характерны для районов, относительно бед-
ных осадками и одновременно отличающихся интенсивным испарением.
Образование здесь почв определяется условиями длинного жаркого лета
и короткой суровой зимы. Каштановые почвы характеризуются пониженной
влажностью. Они отличаются темно-коричневым цветом, что и послужило
поводом называть их каштановыми. В зависимости от содержания перегноя
цвет их становится то более темным, то более светлым. Таким образом воз-
никают многие разности каштановых почв, различающихся по цвету — от
светло-каштановых до темно-каштановых. Каштановые почвы в условиях
сухих степей юга СССР представляют собой по своим строительным свой-
ствам довольно удовлетворительные грунты. Основным их недостатком яв-
ляется быстрая размокаемость, но в условиях юга СССР они быстро просы-
хают.
Бурые почвы распространены к юго-востоку от светло-каштановых
почв. Осадков здесь выпадает еще меньше. Климат отличается еще большей
континентальностью, в результате чего бурые почвы отличаются повышен-
183
ным содержанием солей. Это обстоятельство, несмотря на слабое насыщение
почв перегноем, обеспечивает при надлежащем их увлажнении высокую пло-
дородность, однако повышенное содержание солей резко снижает их строи-
тельные свойства.
По ч вы пустынь весьма разнообразны. Из-за климатических и
природных условий, свойственных зонам пустынь, эти почвы бедны гуму-
сом и вместе с тем обогащены различными солями, в том числе углекислым
кальцием, хлористым и сернокислым натрием, магнием и даже содой. Почвы
пустынь обычно именуются сероземами или светлоземами. Они занимают
большую территорию, расположенную южнее полосы бурых почв. Серозе-
мы по своим строительным свойствам являются весьма неудовлетворитель-
ными грунтами. Повышенное содержание в них солей приводит к чрезвы-
чайно большой пылимости и очень быстрой размокаемости.
Красноземы особенно характерны для районов с теплым клима-
том, большим или даже избыточным количеством осадков и широко развитой
лесной растительностью (Причерноморье Кавказа и Южный берег Крыма).
В пределах Советского Союза они имеют очень ограниченное распростра-
нение.
Солончаки и солонцы свойственны главным образом рай-
онам с жарким засушливым климатом. Находящиеся близко к поверхности
засоленные грунтовые воды, поднимаясь в верхние сухие слои почвы и
испаряясь, образуют скопление солей на поверхности земли. Поверхност-
ный слой таких почв в сухую погоду оказывается покрытым соляным на-
летом, придающим им белый или белесый цвет. После дождя солончаки
превращаются в вязкие, непроходимые соляные болота. Выпадающими
осадками соли из поверхностного горизонта увлекаются вглубь и солончаки
постепенно превращаются в солонцы, менее богатые солями. Солончаки
и солонцы, как правило, не применяются как грунты в дорожное полотно.
Существуют особые технические условия применимости этих почв в качестве
основания для дорожного полотна и в качестве грунта для возведения до-
рожного полотна.
Геологическая деятельность ветра. Ветер является фактором, активи-
зирующим процессы выветривания горных пород. Благодаря дефляции
(выдуванию) и развеванию продуктов разрушения, конечно, в соответ-
ствующих климатических условиях, обнажаются и попадают под воздействие
агентов выветривания все новые и новые, свежие, еще не затронутые вывет-
риванием поверхности. Вместе с тем, захваченные воздушным потоком мел-
кие продукты разрушения горных пород переносятся на большие или мень-
шие расстояния от мест их образования. В этих условиях ветер выступа-
ет уже в роли транспортирующего агента.
В южных районах Европейской части СССР известны так называемые
пылевые, или черные, бури. При этих бурях в засушливое время во многих
случаях выдувается слой почвы мощностью до 10—15 см. Поднятая в воздух
184
дыль иногда переносится ветрами далеко на восток, за тысячи километров,
и откладывается за Каспийским морем. Более грубый материал, например
песок, будучи поднят в воздух, относится обычно на десятки и лишь в ред-
ких случаях на сотни метров. В данных условиях мы сталкиваемся, по суще-
ству дела, со своеобразным перевеванием песка.
Захваченный воздушным потоком материал рано или поздно выпадает
на поверхность Земли, где и закрепляется в силу тех или иных причин. Роль
растительности (травы, кустарника, деревьев) в этом процессе закрепления
весьма велика.
Рис. 14-6. Обнажение лёсса в борту долины
Процесс накопления принесенного ветром материала во многих случаях
продолжается длительные сроки. Таким образом, постепенно мощность от-
ложившихся продуктов возрастает. Так возникают своеобразные эоловые
отложения, к которым относятся эоловые пески (дюны и барханы), а также
весьма своеобразная по своим свойствам порода — эолосый лёсс. Мощность
толщи лёсса нередко достигает нескольких десятков метров (рис. 14-6).
По своим внешним признакам лёсс представляет собой в известной мере
связную глинистую пылеватую неслоистую породу светло-желтого или се-
ровато-желтого цвета, легко растирающуюся между пальцами и, что самое
главное, весьма пористую. Последнее обстоятельство, а также пылеватость
185
породы сообщают лёссу и близким к нему по составу и состоянию породам
(лёссовидные суглинки) очень слабую водоустойчивость (см. гл. 37).
Дюны и барханы представляют собой своеобразные холмы и гряды, сло-
женные песчаным материалом. Дюны характерны для побережий морей,
озер и крупных рек (Волга, Днепр, Дон) и т.д. Большое распространение
дюны имеют на побережье Балтийского моря и его заливов. Высота дюн
достигает здесь 20 м и более. Распространение барханных песков связывает-
Рис. 14-7. Барханы с типичной для них сер-
повидной формой (Казахстан)
ся с пустынными и полупус-
тынными зонами. В наших
среднеазиатских республиках
барханные пески покрывают
около 1 млн. км2 территории.
В плане барханы имеют
обычно серповидную форму
(рис. 14-7). Высота их неред-
ко достигает десятков мет-
ров, а в исключительных
случаях 100 м и более.
Отличительной особен-
ностью дюн и барханов как
характерных представителей
эоловых песчаных отложе-
ний является их подвиж-
ность и способность к пере-
мещению под воздействием
ветров, преимущественно господствующего направления.
В зависимости от ряда факторов и в первую очередь в зависимости от
силы ветра и сухости климата скорость поступательного перемещения дюн
и барханов изменяется в широких пределах — от.2—-4 до 10—20 м в год.
В исключительных случаях — при малой высоте дюн и барханов и сильном
ветре — скорость их перемещения достигает нескольких метров в
сутки.
Поступательное перемещение дюн и барханов может иметь нередко тяже-
лые последствия для населенных пунктов и инженерных сооружений. Под
наступающими песками гибнут возделанные земли, песками засыпаются
дома и поселения, ирригационные сети и т. д. (рис. 14-8). В прошлом это
обстоятельство часто решало судьбы государств. В настоящее время в пус-
тынных районах Средней Азии советскими археологами вскрыты многие за-
мечательные исторические памятники, крепости и дворцы (Хорезм), в те-
чение веков оставшиеся погребенными под песками.
Особенно быстро подвижными песками и песками, переносимыми по
воздуху, заносятся дорожные выемки и каналы. Имели место случаи за-
носа песком выемок глубиной 2—3 м в течение 1 года.
186
Не менее серьезным в ряде случаев оказывается и обратный процесс:
развевание и унос ветром песка. С этой точки зрения под угрозой развевания
могут оказаться дорожные насыпи, в частности на мостовых переходах.
В определенных обстоятельствах в связи с уносом песка ветром могут ока-
заться обнаженными фундаменты береговых опор мостов и путепроводов,
а также иных сооружений.
Наряду с активными, подвижными имеют значительное распростра-
нение также дюны и барханы, потерявшие способность к перемещению.
Такие образования носят наименование неподвижных, закрепившихся дюн
и барханов. С подобного рода дюнами мы часто встречаемся в наших север-
ных залесенных районах (рис. 14-9).
Основной причиной закрепления дюн и отчасти барханов является свя-
зующая роль растительности. Посадки растительного материала широко
используют для искусственного закрепления подвижных песков. В зави-
симости от климатических условий района для этой цели используется дре-
весная растительность—различного рода кустарники и травы. В северных
районах закрепление дюн ведется в основном посадками горной сосны. В
пустынных районах Средней Азии широко известны кустообразный злак
селин и безлистный саксаул как растения, надежно закрепляющие пески.
Для этих же целей в южных районах используется песчаная акация
с кистями темно-фиолетовых душистых цветов. Для закрепления подвижных
песков широко используются и злаки, в первую очередь песчаный овес,
дикая рожь и береговая пшеница. Эти же злаки приносят большую пользу
в закреплении песчаных насыпей. Для закрепления подвижных песков на-
ряду с растительностью используются различного рода щиты. Таким обра-
зом образуются своеобразные «кладбища барханов», потерявших свою под-
вижность. Однако при нарушении растительного покрова, например в
связи со строительными работами, дюны и барханы могут вновь обрести
свою подвижность.
Делались удачные, но пока дорогостоящие попытки искусственного за-
крепления подвижных песков посредством покрытия их поверхности свя-
зующими материалами, в частности нефтяным битумом, битумными эмуль-
сиями, парафино-мазутными смесями.
Как показывает опыт, искусственное закрепление дюн и барханов впол-
не возможно, хотя и требует большого внимания и много труда.
Делювиальные процессы и делювий. Продукты выветривания горных
пород на склонах обычно не остаются на месте и под влиянием силы тяжести
и смывания дождевыми и талыми водами перемещаются вниз по склону,
образуя скопления делювиальных масс, или просто делювия*.
Подобно элювию делювиальные отложения представляют собой скоп-
ление оазноподного рыхлого материала, неокатанного, несортированного и
* От латинского deluo — сливаю.
187
Рис. 14-8. Пески Кара-Кумов, наступающие на окраину
Бухарского оазиса (фото Б. А. Федоровича)
Рис. 14-9. Неподвижные дюны, покрытые растительностью
(Горьковская область)
Рис. 14-10. Делювий. Грубообмолоченный материал
в суглинистой массе (фото Л. А. Молокова)
Рис. 14-11. Делювиальные массы у подножья берегового
склона р. Вахш (фото Л. А. Молокова)
Рис. 14-12. Оползневая медленно
нарастающая (за 3 года) деформа-
ция лестницы на береговом скло-
не, сложенном делювиальными мас-
сами. Ялта (фото Б. Д. Зеленско-
го)
неслоистого. Обычно делювий бывает представлен некоторой глинистой ила
суглинистой массой с втопленными в нее (при выветривании скалистых и
полускалистых пород) угловатыми обломками исходной породы различной
величины и формы (рис. 14-10). Наибольшей мощности делювий достигает
у подножья склонов, наименьшей — на наиболее крутых его участках.
Значительные толщи делювия могут быть встречены и во всякого рода
депрессиях по склону, например в выполненных им погребенных боковых
долинах. В этих условиях мощность де-
лювия может колебаться в пределах от
десятков сантиметров до десятков и да-
же сотен метров (рис. 14-11).
В отличие от элювия делювий, пе-
ремещаясь по склонам сверху вниз, е
большинстве случаев (да исключением
верхних участков склона) перекрывает
совершенно чуждые ему породы, с ко-
торыми он чаще всего никак не связан.
Делювий, как правило, находится обыч-
но в состоянии неустановившегося рав-
новесия, т. е. практически в состоянии
непрерывного перемещения, которое за-
канчивается в наиболее пониженных
участках местности.
В зависимости от состава и состоя-
ния (по влажности) продуктов разруше-
ния, а также от крутизны (угла паде-
ния) самого склона, перемещение делю-
виальных масс по склону при опре-
деленных обстоятельствах может идти
настолько медленно, что его можно ус-
тановить лишь многолетними наблюде-
ниями (рис. 14-12). В других случаях
перемещение делювиальных масс приоб-
ретает более интенсивный характер. По-
этому сооружения, возведенные на де-
лювии (строения, дороги, береговые опоры мостов, порталы тоннелей),
неизбежно деформируются, иногда с катастрофическими последствиями.
Во избежание этого инженерные сооружения на делювии должны возво-
диться с соблюдением надлежащих мер обеспечения их устойчивости, с
трезвым учетом всей природной обстановки в целом.
Основными предпосылками степени устойчивости делювиальных масс
являются: климатические условия; условия увлажнения делювиальных
масс; характер дневной поверхности; характер рельефа кровли коренных
190
пород, подстилающих делювий; наличие в подстилающей толще водоносных
горизонтов; свойства подстилающей толщи; свойства самой делювиальной
массы; прочие факторы (подмыв омывающими водами, сейсмические явле-
ния и Т. Д.).
Увлажнение делювия на склонах может связываться с самыми разнооб-
разными причинами (атмосферные воды, таяние снега, подъем уровня воды
в водохранилищах, фильтрация воды из деривационных каналов, полив
огородов, утечка хозяйственных вод и т. д.).
В степени устойчивости делювиальных масс на склонах огромное зна-
чение может иметь также подпитывание грунтовыми водами нижних гори-
зонтов делювия на контакте с коренным массивом. Такое положение может
иметь место в том случае, когда делювий в виде перемещенной глинистой
массы перекрывает собой, как плащом, все водоносные горизонты корен-
ного склона. Вода, лишившись свободного выхода, пропитывает всю толщу
делювия, утяжеляет его, лишает сцепления глинистые массы и, воздействуя
на них еще гидродинамически, делает их способными к перемещению на
очень пологих склонах (с углом падения 4° и даже ниже). В тех же случаях,
когда оползневые массы представлены более грубозернистым материалом,
вопрос о возможном дополнительном увлажнении снизу не играет особой
роли в их устойчивости, в особенности когда сам коренной массив представ-
лен породами, не способными размягчаться в воде.
Вообще литологический состав делювиальных отложений с точки зре-
ния их устойчивости имеет очень большое значение. Наиболее невыгодным
в этом отношении является делювий со значительным содержанием пыле-
ватых фракций. Он способен легко разжижаться под воздействием грунто-
вых и поверхностных вод, а придя в разжиженное состояние, отличается
исключительно малой устойчивостью и значительной подвижностью. Свя-
занность подобной грунтовой массы крайне невелика.
Чем более грубозернист делювий, тем меньше он подвижен, но в отдель-
ных случаях возможно катастрофическое перемещение даже грубообломоч-
ного материала в бурных грязевых потоках — селях, образующихся в гор-
ных долинах в результате обильных ливней (см. «Сели»). Значение характера
наклона поверхности склона в данном процессе на первый взгляд вполне
очевидно. Однако, как показывает практика, при относительно незначитель-
ной мощности делювия степень устойчивости его в первую очередь опреде-
ляется характером рельефа и крутизной падения поверхности подстилаю-
щего делювий рельефа (погребенного рельефа), по поверхности которого и
происходит обычно оползание делювия на береговых склонах долин.
Таким образом, может случиться, что спокойная, пологая поверхность
склона будет, наоборот, подстилаться крутопадающей поверхностью погре-
бенного склона. Такое положение бывает, например, когда делювиальным
плащом оказываются перекрыты крутые склоны древней долины. В резуль-
тате может оказаться, что наиболее опасные в оползневом отношении участ-
191
ки склона будут располагаться в других местах, а не там, 'где их можно
было ожидать по первому впечатлению. Бывают и обратные случаи, когда
делювиальные массы, перекрывающие в своем продвижении по склону
дно древней долины (речную трассу), оказываются на низовом участке скло-
на на самом деле гораздо более устойчивыми, чем это можно предполагать
по его внешнему виду.
Показателями малой устойчивости делювиальных отложений могут
являться характер и рельеф самого склона и наличие на нем так называемых
Рис. 14-13. «Пьяный лес» на оползневом береговом склоне
оползневых цирков, как следов прошлых оползней, всякого рода трещин, изог-
нутых, наклоненных и неправильно растущих деревьев («пьяный лес»), накло-
ненных телеграфных столбов и строений, заболоченных склонов, нарушен-
ных тропинок и т. д. (рис. 14-13).
Обеспечение общей устойчивости сооружений, например береговых опор
мостов и порталов тоннелей, в рассматриваемых условиях может быть
достигнуто путем снятия или смыва всего делювиального покрова
с возведением сооружений на толще устойчивых коренных пород. Однако
это разумное и желательное во всех случаях условие далеко не всегда мо-
жет быть выполнено.
Во многих случаях делювий при мощности в десятки и в исключитель-
ных случаях сотни метров слагает собой целые районы, заключающие в
192
своем составе многочисленные угодия и поселения. Таково, например, стро-
ение многих, может быть, наиболее ценных участков Черноморского по-
бережья Кавказа и Крыма (рис. 14-14). В этих условиях для поддержания
делювиальных масс часто, в особенности на дорогах, используют подпорные
стенки (рис. 14-15).
При малой мощности делювия, малой его влажности и возможности
возведения стенки на коренных породах склона такие стенки оказываются
Рис. 14-14. Оползневые делюви-
альные массы в зоне прибоя
(Крым)
Рис. 14-15, Подпорная стенка
для удержания оползающих де-
лювиальных масс (Крым)
эффективными, в противном случае они бесполезны. С другой стороны, ко-
нечно, большое значение имеет соотношение нагрузки от возводимого соо-
ружения и толщи делювия. При малой нагрузке и достаточно мощной тол-
ще делювия устойчивость последнего не будет практически снижена лаже
и при относительно неблагоприятном его залегании.
Сели. В горных районах в определенных условиях возникают грязевые
потоки, именуемые селевыми или селями. Сели носят характер временных
потоков, образующихся в оврагах на крутых горных склонах, а также не-
7 Заказ № 549 193
редко по долинам горных рек. Обогащение селей твердым материалом про-
исходит за счет продуктов выветривания, покрывающих горные склоны.
Сели образуются при следующих условиях. В периоды выпадения в
горах сильных дождей (ливней), а также при внезапном снеготаянии на
крутых склонах горных долин возникают многочисленные оползни и оплы-
вы. Этими явлениями захватываются в первую очередь покрывающие скло-
ны делювиальные массы, представленные обычно суглинистым материалом
с включением крупнообломочного (щебень, камни) и залегающие на скло-
нах обычно в относительно неустойчивом положении. При обильном ув-
лажнении связность делювиальных масс резко уменьшается, сопротивля-
емость их сдвигу падает, и они переходят в интенсивное движение со ско-
ростями от 4 до 6 м/сек и более (до 10 м!сек). Этому процессу способствует
и непосредственно смывающая роль самих дождей.
Смещаясь по склонам, полуразжиженные делювиальные массы попа-
дают в русло лога, оврага или долины и захватываются течением. Здесь они
обогащаются продуктами обрушения берегов и, что является особенно
важным, продуктами размыва и разрушения конусов выноса боковых ло-
гов. Количество грязевого и обломочного материала в потоке все увели-
чивается. В конечном итоге образуется мощный грязевой поток — сель,
разрушающий на своем пути все преграды.
Очень часто из несомого грязевым потоком обломочного материала обра-
зуются временные запруды с валами до 5 и даже до 10—15 м высоты. Прорыв
этих запруд создает еще более катастрофические условия. Особенно тя-
желая обстановка, создается при увлечении в грязевом потоке крупных
камней.
Известны случаи, когда селевым потоком перемещались глыбы скалистых
пород с объемом до 1500 л3 (Таджикистан). Общее содержание каменистого
материала составляет часто половину общей массы потока и даже более.
Плотность селевой массы нередко доходит до 1,4—-1,5 Т/м3. При этом усло-
вии все сооружения, здания, мосты и т. д., оказавшиеся на пути грязевого
потока, могут оказаться в исключительно тяжелом положении, а зачастую
полностью разрушаются (рис. 14-16 и 14-17).
Селевые потоки известны во многих районах Кавказа и Закавказья,
на Черноморском побережье и в особенности в Средней Азии. Тяжелая ката-
строфа, связанная с селем, произошла в 1921 г. в Алма-Ате. Здесь потоком
были унесены 182 дома вместе с их жителями. Погибло около 400 человек.
Селем была вынесена на площадь города масса каменного материала общим
объемом (по весу) около 1,5 млн. Т.
После спада потока долина оказывается покрытой слоем жидкой грязи
(толщиной 1 ж и более) и многочисленными камнями.
При этом на долгий срок выходят из эксплуатации культурные угодия,
требуют расчистки улицы поселений, затопленных грязевыми массами, а
также проложенные по долине дороги (рис. 14-18).
194
Рис. 14-16. Последствия прохождения селя под мостом
Рис. 14-17. Селевые массы на улицах поселка
Очевидно, что перед строительством в долинах горных рек необходимы
изыскания по выявлению селевой опасности данного водотока. Особенно
опасными в отношении селей являются горные долины и овраги с крутым
падением (15° и более) в областях развития глинистых сланцев.
Борьба с селями сопряжена с большими трудностями. Несомненно,
весьма существенную роль в борьбе с селями может сыграть закрепление
делювиальных масс, способных образовать грязевой поток. При малой
Рис. 14-18. Последствия прохождения селя на
горной дороге. Южный берег Крыма (фото
В. А. Протасова)
мощности делювия такое ре
шение может быть достигну-
то путем использования вся-
кого рода закрепительных
стенок. Иногда оказывается
полезным, в особенности в
сухих логах, устраивать ка-
менные селеудерживающие
стенки.
Существенную роль в
борьбе с селями может ока-
зать своевременно произве-
денное облесение склонов.
В селеопасных районах дол-
жно быть категорически за-
прещено уничтожение расти-
тельности и в первую оче-
редь лесов, а также выпас
скота и т. д.
При большой мощности
потоков борьба с селёобрдзованием даже на дорогах в сильнейшей степе-
ни затрудняется. При этих Условиях часто может оказаться целесообразным
перекрыть селевой поток однопролетными мостами с размещением береговых
опор на безопасных в рассматриваемом отношении уровнях и в крайнем
случае пролетами не менее 4 м. Одновременно рекомендуется увеличить
величину минимального возвышения низа пролетного строения над расчет-
ным уровнем воды до 1 м против обычных 0,5 м. Такое решение осущест-
влено, например, на мосту через русло Хандос-Хеви на Военно-Грузинс-
кой дороге и в ряде других мест.
В селеугрожаемых долинах трассы магистральных путей должны проек-
тироваться также на соответственно приподнятом уровне. В ряде случаев
при пересечении второстепенных логов с пользой могут использоваться
селеспуски для перепуска селевых потоков в лотках над трассой дорог.
Карст и процессы карстообразования. Карстообразование, или просто
карст, связывается с выщелачивающей деятельностью подземных потоков,
циркулировавших или циркулирующих в толще. Таким образом, карст
196
представляет собой одну из своеобразных форм химического выветривания.
Особенно характерен карст для известняков и гипса. При определенных
условиях карст ведет к образованию в толще таких пород всякого рода пус-
тот, каверн, подземных ходов и иногда даже пещер весьма крупных размеров.
Из крупных пещер в СССР известна Кунгурская пещера в гипсах (Пермская
область), лабиринты которой имеют в длину 46 км.
В результате выщелачивания горных
пород всякого рода ходы и полости не-
избежно сзязыгаются между собой. Так
образуются сплошные ходы большой
протяженности. Во многих случаях осо-
бенно закарстованными оказываются
борта долин.
Провал кровли карстовых пещер
влечет за собой образование воронко-
образных углублений, называемых кар-
сто ими воронками (рис. 14-19). В ка-
честве примера укажем, что в 1937 г. та-
кой провал с образованием воронки
свыше 100 ж в поперечнике и глубиной
около 20 м произошел в Ивановской об-
ласти. Часто карстовые воронки захва-
тывают большие площади, создавая сво-
еобразный карсто ый ландшафт. Наи-
более опасными являются «свежие» во-
ронки, свидетельствующие об активно-
сти карстообразования в данном районе.
Возраст воронок может быть определен
по степени зарастания их раститель-
ностью и сглаженности краев. рис. 14.1g. Кфостовые воронки (фо-
В закарстованных областях нередко то с. А. Трескинского)
целые реки уходят с поверхности и об-
разуют подземные потоки. Такова р.
Шаора в Западной Грузии, через 2 км вновь выходящая на поверхность
под названием р. Шараулы.
Отмеченные выше наиболее часто встречающиеся формы карста даны
в блок-диаграмме на рис. 14-20. Здесь в основании закарстованных из-
вестняков лежит толща водоустойчивых песчаников. В боковой стенке блок-
диаграммы видны карстовые пещеры и каверны. На кровле (поверхности)
известняковой толщи цепочкой располагается ряд карстовых провальных
воронок. Эти воронки совпадают с осью подземного потока.
Кроме описанного выше карста, известен карст погребенный, перекры-
ваемый породами, отложившимися после развития карста. При перекрытии
197
карста глинами все пустоты обычно закрываются ими (например, карстовые
пустоты в понтическом известняке юга Украины).
Карстообразование связывается с выщелачиваемостью пород и, следо-
вательно, с растворимостью слагающих их солей. Растворимость гипса в
дистиллированной воде может достигать 2,6 Г/л, углекислого кальция —
0,2 Г/л. При наличии в воде в свободном виде углекислоты (СО2) раствори-
мость известняков и доломитов (углекислые кальций и магний) увеличивает-
ся во много раз.
Растворяющее воздействие свободной углекислоты на известняки и до-
ломиты заключается в том, что СО2 переводит практически нерастворимые
карбонаты кальция и магния в растворимые бикарбонаты. Реакция эта
идет по формулам:
' СаСО3 + СО2 + Н2О = Са (НСО3)2
MgCO3 + СО3 + Н2О = Mg (НСО3)2
Содержание в воде СО2 никак не влияет на растворимость гипсов и ан-
гидритов (сернокислые соли кальция). С другой стороны, хлористый нат-
Рис. 14-20. Наиболее обычные карстовые
формы
рий повышает растворимость
гипса почти в 4 раза; одновре-
менно присутствие в растворе
сернокислого магния делает
гипс почти нерастворимым в та-
кой воде.
Растворимость тех или иных
солей связывается с достигну-
той концентрацией раствора.
По мере насыщения раствора
растворяющая способность его
падает. При полном насыщении
раствора эта способность сво-
дится к нулю. С точки зрения
карстообразования наиболее
опасными являются атмосфер-
ные воды, проникающие в толщу растворимых пород, например, по тре-
щинам. На своем пути воды все более насыщаются; концентрация их
раствора при этом повышается, а растворяющая его способность падает.
Таким образом, в своей начальной стадии процесс выщелачивания ограни-
чивается некоторой протяженностью пути движения воды.
Согласно исследованиям В. Г. Науменко интенсивность выщелачива-
ния гипса целиком определяется скоростью движения подземных вод и
не зависит от ширины раскрытия трещин. При прогрессирующем развитии
трещин скорости движения по ним воды резко возрастают (пропорциональ-
198
но квадрату раскрытия щели). Отсюда ясно, что при наличии в толще
целых полостей размерами, выражающимися в метрах, карстообразование
от своего начального пункта может распространяться на многие километры.
Из приведенных выше данных следует (что и наблюдается в действитель-
ности), что карстообразование особенно интенсивно должно проявляться
в толще карстующихся пород вблизи от дренирующих их долин, где скорости
движения подземных вод оказываются наибольшими.
Ниже дренирующего гори-
зонта процесс карстообразова-
ния постепенно затухает. Это
обстоятельство связывается с
постепенным насыщением под-
земного потока и ослаблением
его агрессивности, а также с
уменьшением здесь градиента
подземных вод и скорости их дви-
жения. Поэтому глубинный
карст обычно находит свое вы-
ражение в кавернозности поро-
ды (рис. 14-21).
При оценке закарстованно-
сти толщи никогда не следует
Рис. 14-21. Толща относительно малокавер-
нозных доломитов. Каверны вытянуты по
напластованию слоев
забывать, что наблюдаемый ни-
же карст по времени своего об-
разования мог связываться с от-
даленными геологическими эпо-
хами. В те времена, естественно, были .совершенно иные условия дрени-
рования толщи. Кроме того, и высотное положение массива в связи с
тектоническими явлениями могло с тех пор подвергнуться резкому изме-
нению. В этом отношении весьма интересен карст по бортам погребен-
ных долин, например р. Белой.
В ряде случаев гидрохимически неустойчивые породы оказываются за-
ключенными в виде незначительных по мощности прослоев в толще глин.
Возможную опасность от выщелачивания таких прослоев не следует пере-
оценивать. При некоторых обстоятельствах гипс в виде тонкорассеянной
массы (тонкодисперсной) оказывается включенным в толщу самих глин.
Выщелачивание гипса из глин в этом случае в чрезвычайной степени за-
трудняется практической водонепроницаемостью последних.
При определенных условиях выщелачивание даже таких сравнительно
трудно растворимых пород, как, например, известняки, достигает огромных
размеров. Особенно интенсивное карстообразование связывается с зонами
повышенной трещиноватости толщи. В этом плане опасными оказываются
всякого рода тектонические линии (смещений, сбросов, расколов и т. д.)
199
и зоны дрооления. Здесь, в зонах тектонических нарушений, карст, ориен
тируясь по тектоническим линиям, часто имеет характер раздутых трещин
со слабым наклоном к вертикали и со слабым развитием по горизонту. При-
мером связи путей развития карста с тектоническими трещинами является
строение Хадугумской пещеры в кембрийских известняках в Приангарье.
Рис. 14-22. Карстовые пещеры в извест-
няках
Однако следует отметить, что
выщелачивание водой карбонатных
пород (известняков и доломитов)
идет во времени относительно сла-
бо и медленно. В силу этого при-
менительно к таким породам при-
ходится считаться в основном
лишь с уже существующим в них
карстом. В сопоставлении со сро-
ками эксплуатации сооружений
возможность сколько-нибудь рез-
кого развития карста в этих усло-
виях исключается. Иначе обстоит
дело с такими породами, как гипс
и каменная соль. В результате
Рис. 14-23. Возможные формы взаимоположения
карстовых пустот с трассой тоннеля (по М. И.
Дандурову)
большой растворимости
опасность ах выщелачива-
ния в основании сооруже-
ний становится вполне ре-
альной, ив определенных
условиях карст в гипсовых
породах может резко прог-
рессировать со всеми выте-
кающими отсюда последст-
виями. Необходимо отме-
тить, что в сульфатных по-
родах карст развивается со
значительной быстротой, и
новые воронки и провалы
могут появляться ежегод-
но.
Возведение инженерных сооружений в районах развития карста во
многих случаях сопряжено с немалыми трудностями. Так, например,
при пересечении тоннелями горных массивов, сложенных карбонатными
породами (известняками, доломитами), всегда следует опасаться возмож-
ности встречи с карстовыми образованиями и в первую очередь с карсто-
выми пещерами (тоннели на 527-м километре железной дороги Тбилиси—
Джульфа).
200
При определенных обстоятельствах пещеры могут достигать очень боль-
ших размеров, измеряемых многими десятками, а в нередких случаях и
сотнями метров (рис. 14-22). Возможные взаимоположения карстовых пус-
тот и трассы тоннеля видны из рис. 14-23. Как правило, уровень дна этих
пещер не совпадает с отметками дорожного полотна в тоннелях. Особые
•трудности при этом возникают при расположении пола карстовых пещер
ниже полотна дороги. В этих условиях возникает целый ряд трудностей
по обеспечению соответствующих проектных уровней (внутритоннельные
эстакады, мосты, насыпи и т. д.). В одном из тоннелей на Урале в этих
условиях для пропуска пути прищлось возвести арочный мост отверстием
4,5 м.
В некоторых случаях при подобных условиях приходится бросать уже
пройденные участки тоннеля и переходить на новую трассу. Такая обста-
новка, в частности, создалась на работах по проходке тоннеля на дороге
Рим—Неаполь при встрече с пещерой глубиной до 50 м, в которую тоннель
вошел в ее кровле (под потолком).
При вскрытии при проходке тоннелей карстовых источников и под-
земных потоков возникает самая серьезная угроза внезапного их затоп-
ления. Расход воды в таких потоках иногда достигает 10 м3/сек.
Во избежание затруднений в эксплуатации тоннелей в связи с возмож-
ностью вывалов блоков породы с потолка карстовых пещер необходима
соответствующая обделка (одежда) тоннелей. При проектировании этих об-
делок необходимо считаться с возможностью резких ударов по ней, а также
повреждения обделки тоннелей блоками значительных размеров при па-
дении их со значительной высоты. Однако при проходке тоннелей в закар-
стованных массивах наибольшие трудности, сопряженные иногда с ката-
строфическими последствиями, возникают в случае вскрытия при работах
подземных потоков и затопления выработки.
Для тяжелых сооружений карстовые полости, близко расположенные к
земной поверхности, могут представлять реальную угрозу в связи с возмож-
ностью развития провальных явлений. Известны случаи провала железно-
дорожных насыпей, возведенных в районах развития гипса (район г. Уфы,
1927 г.). В некоторых случаях, такие провалы обусловливались развитием
карста в основании насыпей за счет просачивания вод из дорожных кюветов.
При возведении береговых мостовых опор в карстовых областях также
всегда существует опасность их значительного повреждения и даже полного
уничтожения в связи с провальными явлениями, как следствием провала
кровли карстовых полостей, оказавшихся под сооружением. Принципиаль-
но наиболее простое решение задачи при этом достигается выносом соору-
жений за пределы областей карстового проявления. При невозможности
такого решения задачи следует стремиться к размещению сооружения в
карстовых областях в зонах наименьшего проявления карста. В поисках
наиболее благоприятных мест размещения сооружений необходимо особен-
201
но внимательно избегать тектонических зон, где карст всегда получает осо-
бенно интенсивное развитие.
При проектировании сооружений в карстовых районах очень часто воз-
никает вопрос о безопасной глубине Ябез залегания древних карстовых
полостей в зоне развития карбонатных пород под подошвой сооружения
и легко карстующихся пород (гипсы, ангидрит) под покровом некарстую-
щихся, например плотных коренных глин. Очевидно, что опасность проваль-
ных явлений возрастает вместе с развитием карстовых полостей по ширине
L и с приближением их к поверхности.
Прочность перекрывающей толщи может считаться обеспеченной и опас-
ность провала кровли древних карстовых полостей избегнутой при соблю-
дении условия
Ябез>к/. (14-1)
Здесь к — коэффициент запаса, который может быть принят равным 2—3;
/ — стрела свода обрушения, характеризующая высоту возможного
вывала.
Согласно М. М. Протодьяконову, стрела свода обрушения определяется,
исходя из выражения
/ = -Н (14-2)
где F — коэффициент крепости; для плотных глин F=l, для щебенистых
грунтов и выветрелых сланцев F=l,5, для гипса F=2, для не-
крепкого известняка F=4.
Карстовые полости и их ширина принимаются при этом исходя из воз-
можности их развития до скважин, оконтуривающих эту полость.
При наличии карста в сульфатных породах следует считаться с возмож-
ностью развития карста во времени. За пределами свода обрушения влияние
карстовой полости, при условии стационарного ее состояния, сказываться
не будет.
При несоблюдении условия (14-1) и невозможности разместить соору-
жение на другом более благоприятном месте прочность закарстованной
толщи карбонатных пород в основании проектируемого сооружения может
быть обеспечена путем инъекции в нее под давлением: для первой стадии
инъекции — тощих смесей, обогащенных мелкозернистым или тонкозер-
нистым песком; для последующей стадии — цементно-глинистого раствора.
В этом случае оказываются плотно заполненными раствором лишь полости,
по своим размерам опасные длхя сооружения, и пресечена бесполезная утеч-
ка раствора по тонким трещинам.
Все приведенные выше условия указывают на большую сложность ис-
следований в карстовых областях. Существенную помощь при этих иссле-
дованиях во многих случаях может оказать изучение гидрогеологического
202
Рис. 14-24. Схема распространения карстовых областей и
районов Европейской части СССР, Урала и Кавказа (сос-
тавил Н. В. Родионов, 1960 г.):
закарстованные породы: 1—известняки, мраморы, доломиты и др.; 2—
сульфатно-карбонатные породы; 3— мел, мергельно-меловая толща; 4 —
карбонатный флиш; 5 — гипсы, ангидриты; 6 — соль; 7 — соляные купола;
некарстующие породы'. 8—осадочные; 9—изверженные, метаморфические,
вулканогенные
режима толщи. В последнее время для исследования карста все большее
применение получают специальные так называемые геофизические методы
с изучением изменения силы тяжести, электропроводности толщи и харак-
тера распространения в толще упругих колебаний (сейсмическая разведка).
Во всех случаях эти исследования должны сопровождаться широкой геоло-
гической съемкой, имеющей своей целью выявление истории формирования
речной долины и самого карстового ландшафта.
Рис. 14-25. Глинистый карст
в засоленных грунтах (по
Б. А. Федоровичу)
Рис. 14-26. Карстовые формы в лёссовой
толще (долина р. Вахш)
Для исследования карста в целях выявления путей его развития и сооб-
щения в некоторых случаях используется газ. Газ при этом запускается в
карстовую полость в одном месте, далее из разных мест карстовой системы
отбирают пробы воздуха. По составу последних выносят суждение о харак-
тере и объеме карста.
Отметим, что во многих случаях опасность карстообразования без доста-
точных оснований преувеличивается. Доказательством этого является бла-
гополучная эксплуатация ряда мостов, возведенных на карстующихся.
породах. В этом отношении убедительным примером может служить Свияж-
ский мост через Волгу. Здесь в районе правобережного примыкания в толще-
были встречены гипсоносные мергели и доломиты пермского времени. Не-
подалеку от моста имеются карстовые воронки. В таком же положении ока-
зался один из мостов на Оке. Здесь гипсоносные породы были встречены под
промежуточными опорами моста под толщей аллювиальных отложений.
Опоры работают в этих условиях вполне нормально, в то время как право-
204
бережный устой моста, свободный от опасности, связанной с карстом, ока-
зался деформированным в связи с оползневыми явлениями на этом берегу.
В Советском Союзе карстовые явления известны в Прибалтике, в Под-
московье, Донбассе, на Урале, Уфимском плато и других местах. Широкое
развитие карст получил также в К.рыму, Средней Азии, во многих местах
на Кавказе, в Сибири, на Дальнем Востоке. Известное представление о
развитии карста в пределах Европейской части Союза дает карта (рис. 14-24).
По данным Г. А. Максимовича, карстующиеся породы занимают на земной
поверхности около 51 млн. оЕ, т. е. около 35% суши.
В слабых и особых формах своего развития карст отмечается также и
в пишущем мелу (карст в мелу Русской равнины). Мел, являясь почти
нацело растворимой породой, будучи относительно рыхлым, легко подвер-
гается не только растворению, но и размыву еодой, циркулирующей в нем
по трещинам. Обычно карстовые полости в мелу оказываются выполненными
песчано-глинистым материалом, что в значительной мере препятствует даль-
нейшему развитию карста и даже ведет к полному прекращению карстовых
процессов.
Некоторые исследователи относят к карстовым формам и так называемый
«разжиженный» мел, нередко встречаемый под дном современных рек и даже
за пределами долины.
Следует упомянуть еще об одной весьма специфической форме карсто-
образования — о так называемом глинистом карсте. Это явление особен-
но характерно для засоленных и, в частности, .загипсованных глинистых
толщ. В этом случае в определенных условиях образуются также пещеры,
воронки, провалы и т. д. (рис. 14-25). Природа глинистого карста связана
с легкой размываемостью засоленных пылеватых глинистых пород, которую
они приобретают в определенных условиях при постоянно чередующемся
увлажнении и высыхании.
Явление глинистого карста в меньших масштабах свойственно также и
лёссовым толщам. Здесь пустоты и пещеры притягиваются обычно к бортам
логов, оврагов и к берегам рек (рис. 14-26).
ГЛАВА 15
РАЗМЫВАЮЩАЯ И ПОДМЫВАЮЩАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ
ТЕКУЩЕЙ ВОДЫ
. Оврагообразование. В формировании рельефа земной поверхности гро-
мадное значение имеет процесс размыва горных пород текущей водой. Этот
процесс получил название эрозии*. Эрозия находит свое проявление как
в русле постоянных потоков, так и во временных, обязанных атмосферным
От латинского erodo — разъедаю, размываю.
205
осадкам (дожди, ливни, таяние снегов). Такие временные потоки на возвы-
шенно-равнинных пространствах, преимущественно в безлесных южных
районах нашей страны, при определенных условиях ведут к оврагообра-
зованию.
Процесс оврагообразования связывается с проявлением так называемой
донной эрозии, находящей свое выражение в данном случае в непрерыв-
ном размыве текущей водой дна оврага. Оврагообразование и развитие суще-
ствующей овражной сети представляет собой часто большую угрозу для
культурных угодий и поселений, а также дорожных и прочих сооружений.
При углублении оврага
высота его бортов повы-
шается. Это ведет к неиз-
бежному развитию шири-
ны оврага поверху. Мало
того, как это следует из
теории устойчивости отко-
сов, в породах, обладаю-
щих тем или иным сцепле-
нием, всякий более высо-
кий откос в своей нижней
части неизбежно оказыва-
ется более пологим. Это
обстоятельство приводит к
Рис. 15-1. Овраги в степном районе
еще более значительному
развитию ширины оврага
поверху при его углублении.
В вершине оврага всегда имеет место резкий перепад в продольном про-
филе (уступ). Здесь, в связи с большой скоростью потока эрозия находит свое
особенно интенсивное выражение. При прогрессирующем размыве грунта в
вершине оврага он растет вверх по течению, т. е. навстречу потоку. В данном
случае мы сталкиваемся с проявлением так называемой попятной, или
регрессивной, эрозии.
Угроза сооружениям, поселениям и угодьям возникает нередко с ис-
ключительно быстрым развитием овражной сети, в особенности на склонах
(рис. 15-1). Отмечен в некоторых случаях рост оврагов по длине, в связи
с отступанием их вершин на. десятки метров в год. При этом условии, а
также при развитии ширины оврагов в результате их углубления сооруже-
ния, расположенные вблизи от оврага, могут оказаться с течением времени
подмытыми и потерять свою устойчивость. В таком положении могут ока-
заться, в частности, подходные к мостам насыпи и в особенности береговые
опоры (устои) мостов. Опасность усугубляется тем, что при обычных зна-
чительных здесь уклонах дальнейшее углубление и расширение оврагов
в этих условиях происходят часто весьма интенсивно.
206
Следует быть особенно внимательным к водоспускам из дорожных
канав и лотков, не допуская возможности превращения их в источник и
причину образования новых оврагов. Водоспуск может превратиться в на*
чало оврага, если трасса дороги проложена по легкоразмываемым грунтам
и почвам, а придорожные канавы не укреплены.
Нередко при выходе оврагов в русла значительных водотоков выше мо-
стовых переходов возникает серьезная опасность подмыва опор мостов. Та-
кое положение создается за счет непредусмотренного ранее сужения и от-
клонения потока овражным выносом, откладывающимся в русле водотока.
Подобные случаи отнюдь не являются исключительными.
Рис. 15-2. Размыв и образование оврага в лёссовой толще
Овраги нередко достигают глубины в несколько десятков метров и
имеют самую различную длину, в некоторых случаях 5—10 и даже 20 км.
Для интенсивного развития оврагов имеют существенное значение:
а) наличие в покровной толще слабо связных, легкоразмываемых пород;
б) большое количество и интенсивное выпадение атмосферных осадков;
в) низкое положение базиса эрозии речной сети и, как следствие этого,
базиса дренирования грунтовых вод; г) слабая степень залесенности района.
Первое условие приводит к особенно быстрому развитию оврагов в тол-
ще чернозема, лёссов и других молодых почвенных и грунтовых образова-
ний. Отметим, что началу развития оврагов в лёссах во многом могут спо-
собствовать неправильно выполненные дорожные канавы и лотки и даже
такие на первый взгляд малозначащие факты, как норы землероев.
С какой быстротой может идти оврагообразование в толще лёсса, сви-
детельствует случай, нашедший свое отображение на рис. 15-2, когда при
207
сработке бассейна и спуске из него воды за 1,5 показались размытыми свыше
150 тыс. м3 лёсса.
Овраги интенсивно развиваются в районах с интенсивным поверхностным
стоком (частые ливни, большой снежный покров и дружная весна с быстрым
снеготаянием). Положение базиса эрозии ограничивает возможную глубину
оврагов и, как следствие этого, развитие ширины оврага поверху. Профи-
лактическая борьба с оврагообразованием предусматривает ряд мероприя-
тий, направленных к сохранению целостности поверхностного покрова, и
в том числе запрещение вырубок леса и кустарника на склонах, выпаса
здесь скота и распашки и т. д.
Активные меры по защите территории от дальнейшего развития овра-
гов сводятся в основном: а) к упорядочению поверхностного стока (обва-
лование оврагов, в особенности их вершин; устройство сети канав и лотков
и т. д.); б) к защите дна оврагов от размыва всякого рода устройствами;
в) к использованию закрепляющей роли растительности.
В качестве мероприятий, направленных к прямой борьбе с эрозией, во
многих случаях с успехом используются всякого рода невысокие преграды,
устанавливаемые на дне оврагов, в частности плетневые. Таким образом,
по продольной оси оврага создается своеобразная лестница из преград. Эти
преграды исполняют роль водосливных плотин. Размывающая энергия те-
кущей воды в этом случае гасится непосредственно за преградой, где против
размыва дна водой, сливающейся через преграду, укладывают камни. Выше
преграды образуются прудки с тиховодьем, которые являются местом отло-
жения и скопления наносов.
В ряде случаев возникает необходимость защиты склонов оврагов от
проявления боковой эрозии. Эта защита проще всего достигается устройством
у подножия склонов продольных плетневых оград с забивкой их землей,
а также облесением склонов.
В качестве примера практического использования некоторых защитных
мероприятий, предпринятых с целью пресечения развития оврага, при-
водится схема (рис. 15-3) из работы В. С. Холмогорова*. Овраг с верховой
стороны с целью упорядочения стока атмосферных вод обвалован. Задер-
жанная валиками вода стекает по канавам к вершине оврага, где поступает
в лоток, отводящий ее на дно оврага. Перед выходным отверстием лотка
на дне оврага расположен водобойный колодец, задача которого заключает-
ся в ослаблении живой силы сбегающей по лотку воды. Для защиты дна
оврага от размыва здесь намечен целый ряд донных запруд. Во всей приов-
ражной зоне проводится облесение.
Проявление эрозии в долинах рек. Как это уже отмечалось выше,
процессы эрозии, связанные с геологической деятельностью рек, имели
* В. С. X о л м о г о р о в. Защита железнодорожного полотна и сооружений
от оврагов. Трансжелдориздат, 1938.
208
и имеют исключительное значение в формировании земной поверхности.
Эрозия в водотоках находит свое выражение или в углублении его русла
(донная, или глубинная, эрозия), или в расширении ее долины за счет подмыва
берегов водотока (боковая эрозия). Интенсивность эрозии зависит от проч-
ности размываемых горных пород и силы потока; очевидно, что слабые по-
роды, с малой прочностью внутренних связей или не обладающие ими, будут
особенно легко поддаваться размыву.
Интенсивность эрозии в значительной степени зависит также и от ха-
рактера и количества влекомых водотоком наносов, способных производить
б
Рис. 15-3. Мероприятия по
защите территории от даль-
нейшего развития оврага:
а — обвалование оврага; б — канавы;
в — лоток; г — водобойный колодец;
д -- донные запруды
Рис. 15-4. Ущелье р. Мзымты. Шос-
се в Красную поляну
истирающее воздействие на ложе водотока. Наибольшей истирающей
способностью обладают обломочные продукты, образовавшиеся из твердых
скалистых пород в виде булыжника, гальки и гравия, а также кварцевый
песок. Следует отметить, что эрозия в скалистых породах происходит за счет
истирания пород наносами, так как размывающая способность чистой воды
весьма слаба. Само собой разумеется, что интенсивность эрозии зависит
от скорости водотока.
' Существенную роль в процессе эрозии играют время и мощность потока.
В течение длительных сроков времени все указанные выше процессы при
209
всей их малой скорости проявления приводят к грандиозным результатам.
Перед действием текучей воды не может устоять ни одна, даже самая твер-
дая порода. Примером этого могут служить многие глубокие ущелья со
скалистыми склонами. Таковы, например, каньоны Ангренского плато
в Фергане с высотой стен до 1000 м, Дарьяльское ущелье на Кавказе, глубо-
кие долины с почти отвесными бортами в базальтах Армении, глубокое
ущелье в известняках долины р. Мзымта — Черноморское побережье Кавка-
за (рис. 15-4) и т. д. В результате воздействия эрозии долины рек постепеи-
но углубляются и расширя-
ются, растут по длине; воз-
вышенности, разделяющие
долины, также постепенно
разрушаются и снижаются,
и склоны становятся все бо-
лее пологими. В конечном
итоге под воздействием эро-
зии и связанного с ней выно-
са продуктов разрушения и
размыва горных пород гор-
ный рельеф с течением вре-
мени становится все мягче.
Начальная стадия разви-
тия ландшафта любой стра-
ны, отвечающая резкому про-
явлению эрозии и глубокой
врезке долин в горные масси-
вы, называется юной.
Рис. 15-5. Размывающая деятельность реки на
горном участке
зультате эрозионной
вается и в известной
С течением времени в ре-
деятельности ландшафт страны все более выполажи-
мере приобретает равнинный характер. В этой ста-
дии развития страны, называемой зрелой, реки текут в относительно не-
глубоких долинах, получающих вместе с тем весьма большое развитие по
ширине. Эрозионная деятельность на этой стадии значительно ослабля-
ется. Наконец, территория вступает в свою старческую стадию. На
этой стадии страна приобретает характер предельной равнины, нередко
называемой пенепленом*. В силу слабой пологости местности эрозионная
деятельность на этой стадии практически прекращается. Однако и эта ста-
дия в большинстве случаев либо вовсе не достигается, либо носит лишь от-
носительно временный характер, нарушаясь тектоническими явлениями.
Особенно интенсивно проявляется эрозия в эпохи тектонических ре-
волюций, связанных с общими подъемами суши и горообразованием. Вмес-
От слов: раепе (лат.) — почти и plain (англ.) — равнина.
210
те с тем эпохам тектонического покоя соответствует постепенное снижение
интенсивности эрозии, в первую очередь в связи с общим выполаживанием
суши как следствием проявления самой эрозии.
С тектоническим поднятием страны эрозионная деятельность оживляет-
ся, рельеф страны «омолаживается», и страна снова может вступить на путь
прохождения всех циклов своего развития.
Скорость течения воды в водотоке, а следовательно, и интенсивность
эрозии связаны с величиной уклона реки. В связи с этим эрозия находит свое
наибольшее проявление на горных участках (большие уклоны), причем
здесь превалирует донная эрозия (рис. 15-5). На равнинных участках интен-
сивность донной эрозии резко ослабляется, уступая в ряде случаев свое
место боковой эрозии.
Эрозионная деятельность потока наиболее интенсивно протекает в
русловой части. На затопленных в период паводков пойменных участках
глубины рек бывают обычно значительно меньшими, чем в русле. Кроме
того, поймы рек обычно оказываются покрытыми растительностью (луговые
травы, кустарники и т. д.). Оба указанных выше обстоятельства вызывают
падение скоростей течения на этих участках, в результате чего пойменные
участки лишь в редких случаях становятся объектом значительного прояв-
ления эрозии.
Высотное положение устья водотока определяется, как правило, уров-
нем водоема (моря, озера), принимающего водоток. Следовательно, и прояв-
ление эрозии ограничивается этим уровнем, который получил название
базиса эрозии.
Для рек, впадающих в моря и океаны, базисом эрозии будет служить
уровень океана. В общем случае уровень океана сохраняется относительно
постоянным. Однако при определенных условиях он изменяется (эзстати-
ческие колебания). В частности, эвстатические явления связываются с лед-
никовыми периодами, т. е. со временем мощного оледенения огромных про-
странств суши (нарушение нормального круговорота воды в природе). Пред-
полагают, что при последнем по времени оледенении, охватывавшем в своих
нескольких фазах период 10—500 тыс. лет до нашего времени, уровень оке-
ана снизился на 50 и даже более метров.
В отличие от открытых бассейнов кол'ебание уровня в замкнутых водое-
мах, подобных Каспийскому морю, или озерах может быть связано с клима-
тическими изменениями, как наиболее общими явлениями. Отметим, что
за исторический период уровень Каспийского моря претерпел значительные
изменения (до 12 м), о чем свидетельствуют находки в затопленном состоянии
по западному побережью Каспийского моря многочисленных остатков кре-
постных сооружений и древних захоронений.
Вместе с тем очевидно, что базисом эрозии для притоков некоторого
водотока будет служить уровень главной водной артерии. Интересно от-
метить, что правый высокий берег Волги в ряде мест рассечен весьма глу-
211
бокими оврагами. Такое обстоятельство явилось следствием того, что этот
берег возвышается над уровнем воды самой Волги на 200—300 м.
Повышение базиса эрозии для притока в горных условиях, помимо рас-
смотренных выше общих причин, и в особенности в сейсмических районах
может быть вызвано подпружиниванием водотока в результате завалов его
долины. В этом случае базисом эрозии будет служить гребень образовавшей-
ся преграды. При перекрытии рек плотинами базисом эрозии явится уро-
вень созданного водохранилища. Естественно, что в подобных условиях
эрозионная деятельность может быть существенно ограничена в своих мас-
штабах. Вместе с тем следует отметить, что проявление донной эрозии на
тех или иных участках водотоков может существенно усиливаться в связи
с гидротехническим строительством (спрямление русел, перепуск водото-
ков, сброс воды из водохранилищ и т. д.).
Как это уже не раз отмечалось выше, роль эрозии в формировании
долин водотоков и ландшафта в геологическом прошлом исключительно
велика. Однако и в настоящее время эрозия может иметь самое суще-
ственное значение в процессе эксплуатации дорожных и в первую очередь
мостовых сооружений.
С проявлениями донной эрозии строителям мостов приходится сталки-
ваться во всех случаях при размещении мостовых опор в русле водотока
или на его пойме, затапливаемой в половодье. Стеснение живого сечения
потока опорами и проистекающее отсюда увеличение его скорости ведет
в этих случаях к интенсивному углублению русла, причем размыв дна во-
дотока может идти с исключительной быстротой, тем большей, чем меньшей
связностью отличаются грунты. В этом смысле аллювиальные отклонения,
в первую очередь песчаные как полностью лишенные связности, отличаются
наименьшей устойчивостью. Коренные (дочетвертичные) скалистые и гли-
нистые породы в этом отношении более надежны.
Однако, за исключением здоровых, невыветрелых магматических 'пород
и некоторых наиболее жестких и твердых разностей кристаллических мета-
морфических сланцев, все породы и грунты в те или иные сроки, соизмеряе-
мые со сроками службы мостов, могут оказаться в их пролетах полностью
размытыми и вынесенными.
Строительная практика исключительно богата всякого рода происше-
ствиями, связанными с подмывом мостовых опор в результате проявления
донной эрозии из-за недостаточности принятых мер по их защите. Основ-
ной мерой в этом направлении является достаточное заглубление мостовых
опор, исключающее возможность их подмыва при углублении потоком свое-
го русла. Величина заглубления опор устанавливается исходя из условия
углубления русла в пределах, обеспечивающих сохранение природных се-
чений и скоростей потока. Всякие конструктивные защитные мероприятия:
каменная наброска, тяжелые фашины, шпунтовые ограждения и т. д.,—
оказываются в этом плане полезными как дополнительные меры. Следует
212
отметить, что углубление русел водотоков в результате проявлений донной
эрозии, как правило, приводит к развитию на берегах водотока оползневых
явлений и к обрушению самих берегов. В определенных условиях не менее
важными для мостового и дорожного строительства могут оказаться послед-
ствия боковой эрозии, ведущей часто к интенсивному подмыву берегов во-
дотока. На меридиальных участках рек северного полушария наиболее ин-
тенсивно подмывается правый берег (правило Бера).
Рис. 15-6. Высокий правый берег Волги. Внизу пойма
В результате боковой эрозии русла многих водотоков интенсивно пере-
мещаются в сторону правого берега; поэтому правые берега таких водото-
ков обычно имеют возвышенный или даже гористый характер, тогда как
левые их берега очень часто бывают представлены широко развитыми выгла-
женными эрозией низменными поймами (рис. 15-6).
На левом пойменном берегу реки часто возникают своеобразные излу-
чины —• петли. Эти петли получили название меандров (от названия весьма
извилистой реки Меандр, впадающей в Эгейское море).
Возникает процесс поперечного перемещения водотока непосредственно
в пределах его долины. Река, как говорят, «начинает блуждать» по своей
213
долине. При этом условии под воздействием боковой эрозии долина посте-
пенно развивается в ширину (рис. 15-7) и в тем большей степени, чем легче
поддаются размыву породы, слагающие борта долин. Отшнурованные в
результате спрямления русла меандры образуют так называемые «старицы».
В паводки старицы нередко покрываются разливом и являются удобным
местом для отложения в них, как в замкнутых «карманах», наиболее тонких
Рис. 15-7. Расширение долины в
результате проявления боковой
эрозии
илистых продуктов. Очень часто отшнуро-
вание меандров ведет к образованию на
поймах озер, заболоченных участков и
торфяных болот.
При достаточно интенсивной боковой
эрозии могут оказаться под угрозой вся-
кого рода сооружения, в том числе тран-
спортные магистрали и береговые опоры
мостов при недостаточном удалении их от
береговой бровки и непринятии соответ-
ствующих защитных мер. Однако про-
цесс этот обычно идет относительно мед-
ленно, так как боковая разработка долин
обычно связана с размывом коренных по-
род. Кроме того, в силу его закономерно-
го характера этот процесс легко поддает-
ся анализу, так как наиболее опасные
участки, где подмыв берега идет особен-
но интенсивно, легко обнаруживаются ви-
зуально. В этом смысле важнейшим пока-
зателем является развитие в береговой по-
лосе оползней и осыпей. В первую очередь
в таком положении обычно оказываются
вогнутые участки русла, где берег нахо-
дится под непосредственным воздействием
течения.
Таким образом, борьба с этим видом проявления речной эрозии нередко
непосредственно связана с противооползневыми и берегоукрепленными
мероприятиями.
В условиях нового строительства очень часто разумное и простое ре-
шение задачи заключается в выборе наиболее благоприятного местораспо-
ложения сооружений, т. е. вне оползневых участков.
С другой стороны, при невозможности решить задачу таким образом
всегда оказывается необходимым несколько отодвигать вновь возводимые
сооружения, например береговые опоры мостов, трассы дорог и т. д., от
бровки речного откоса в глубь берега. В этом случае для строительства ис-
кусственно создается некоторая как бы запретная полоса. Тогда развитие
214
береговых оползней в течение более или менее значительного времени ока-
жется вне зоны воздействия на сооружения. Потребная ширина запретной
полосы определяется, естественно, местными условиями и должна быть уста-
новлена инженерно-геологическим анализом обстановки. В этом анализе
в ряде случаев неоценимую пользу могут принести расчеты по оценке устой-
чивости склона и по определению профиля устойчивого откоса применитель-
но к той или иной обстановке.
Любопытно отметить, что город Черный Яр на Волге около 300 лет на-
зад, находясь под непосредственной и непрерывной угрозой наступления
на него Волги, был перенесен на новое место на значительное расстояние
от современной тому времени береговой бровки. Теперь приречная часть
гооода снова подмывается рекой.
Нередко ранее выполненные сооружения оказываются в угрожаемой
зоне. При подобных обстоятельствах неизбежно встает вопрос о защите
берега от подмыва. Таким образом, возникает необходимость в разнообраз-
ных берегозащитных мероприятиях. Типы таких мероприятий рассматри-
ваются в соответствующих разделах «Строительного искусства». Отметим
лишь здесь, что по своему характеру они связываются или с ограничением
скорости течения у защищаемого берега (струенаправляющие дамбы, буны
и г. Д.), или с непосредственной защитой самого берега от подмыва путем
посадки кустарника и использования всякого рода покрытий (мощение и
каменная наброска). В некоторых случаях не без успеха используется прин-
цип наращивания вдоль защищаемого берега полосы из наносов, влекомых
рекой. Такое улавливание наносов осуществляется устройством вдоль бе-
рега выступающих в реку поперечных преград (буны, сипаи), образующих
полузамкнутые участки. Здесь в условиях тиховодья происходит отложение
наносов, защищающих берег от дальнейшего подмыва.
Вместе с тем следует отметить, что боковое перемещение рек представляет
собой проявление геологического процесса, борьба с которыми во многих
случаях оказывается весьма сложной. В силу этого нередко наиболее про-
стое решение задачи может быть найдено переносом находящихся под пря-
мой угрозой сооружений в другое, более безопасное место.
Значительно более сложным оказывается вопрос, связанный с блужда-
нием рек по своей долине. Этот процесс происходит в пределах долины, уже
ранее разработанной водотоком. Таким образом, проявление боковой эро-
зии связывается здесь, как правило, с размывом собственных речных нано-
сов, которые представлены в большинстве случаев слабыми и рыхлыми по-
родами, легко поддающимися размыву (рис. 15-8). При недостаточном вни-
мании к блужданию рек и при расположении промежуточных и береговых
мостовых опор без учета возможного их подмыва в результате проявления
боковой эрозии всегда можно столкнуться с трудно поддающимися исправ-
лению последствиями ее воздействия.
215
Перемещение русел водотока в процессе их блуждания часто принимает
катастрофический характер.
В этом отношении небезынтересен следующий пример. В 70-х годах прош-
лого века на берегах Аму-Дарьи в пределах современной Кара-Калпакской
АССР возникло поселение Петро-Александровск. После Октябрьской ре-
волюции это поселение было переименовано в г. Турткуль. Ширина Аму-
Дарьи здесь намного больше ширины Волги. Аму-Дарья течет в своих
Рис. 15-8. Подмыв берега в процессе перемещения реки по
долине (боковая эрозия)
собственных наносах, представленных в основном супесями, весьма легко
размываемыми. Река отличается быстрым течением и капризным характе-
ром. Русло ее непрерывно перемещается. Блуждание реки связано с быстрым
подмывом ее берегов. Для защиты поселений и культурных угодий от эро-
зии здесь была устроена длинная дамба. Однако ежегодно дамба на протя-
жении 2—3 км разрушалась водой и требовала своего восстановления О
масштабах эрозии в этом районе представляется возможным судить по таким
примерам. Несколько ниже Турткуля за 10 лет (с 1905 по 1915 г.) р. Аму-
Дарья переместилась на 4—6 км.. За период с 1921 по 1923 г. рекой была
смыта полоса культурных земель шириной 3 км. Еще в 1888 г. Петро-Алек-
216
сандронск находился на расстоянии около 5 км от реки. В, конце 30-х го-
дов нынешнего столетия река уже вплотную подошла к жилым кварталам
города. Были приняты многообразные меры по защите города от эрозии,
однако они все же оказались малоэффективными. На рис. 15-9 приведен
аэрофотоснимок г. Турткуль, сделанный осенью в 1946 г. В центре снимка
виден парк. Осенью 1947 г. этот парк и вся прилегавшая к реке полоса
оказались смытыми. При таких условиях было оправданным принятое ре-
шение об экономической нецелесообразности дальнейшей защиты г. Турт-
куля от эрозии и о переносе столицы Кара-Калпакии в новое, безопасное
место. Так возник новый, бурно развивающийся город-сад Нукус.
Конечно, этот пример по своим масштабам является исключительным.
Во многих случаях борьба с эрозией оказывается плодотворной. И здесь
не без успеха могут быть использованы различные защитные мероприятия
(струенаправляющие дамбы, буны, сипаи, фашинные тюфяки и т. д.). Од-
нако проведению этой борьбы должен предшествовать тщательный анализ
гидрологического режима водотока и современного проявления эрозии.
Во всех случаях проектирования мостовых сооружений должно быть
предусмотрено соответствующее заглубление опор, исключающее возмож-
ность их подмыва в процессе проявления боковой эрозии, а также, по воз-
можности, обоснование их на породах, трудно поддающихся размыву.
Долины рек и их формирование. Общее направление водотоков, а сле-
довательно, и их долин отвечает рельефу земной поверхности. Верховья
водотоков обычно совпадают с водоразделами. Во многих случаях направ-
ление потоков находится в несомненной взаимной связи с общей геологи-
ческой структурой данного района страны, а размещение долин в плане
217
определяется тектоническими нарушениями, обеспечивающими более лег-
кую разработку долин. В других случаях направление долин по той же
причине совпадает с тектоническими линиями разломов и сбросов.
Существенное значение в отклонении рек от их генерального направле-
ния имеют выходы на пути реки массивов жестких, трудно поддающихся
эрозии пород, в частности скалистых. Интересным примером в этом отно-
шении можетслужить Волга в районе Самарской Луки. Здесь Волга, вместо
того чтобы по прямому пути пройти 21 км, делает излучину длиной в 136 км.
Обойдя здесь основную возвышенную гря-
ду по линии тектонического разлома, но-
сящего название Жигулевской дислокации,
Волга прорезает толщу известняков в рай-
оне Жигулевских ворот.
Современная гидрографическая сеть
вырабатывалась постепенно и отнюдь не
сохранялась неизменной в течение геоло-
гических сроков времени. Об изменении
режима водотока во времени свидетельству-
ют речные террасы, представляющие собой
продольные площадки, более или менее
круто обрывающиеся к русловой части
Рис. 15-10. Речные террасы
долины.
Первая возвышают,аяся над урезом воды терраса называется поймен-
ной. Эта терраса обычно затапливается водой в половодье. Террасы на более
высоких уровнях называются надпойменными. Пойменные террасы могут
быть различной ширины — от метров до многих десятков километров. Так,
Волго-Актюбинская пойма имеет ширину от 30 до 60 км. Надпойменные тер-
расы прослеживаются нередко на больших расстояниях и обычно на несколь-
ких уровнях (рис. 15-10).
Некоторые из террас Днепра весьма широки и достигают по ширине
до 100 км. На р. Куре в районе г. Тбилиси зафиксировано шесть террас с
разностью уровней 250 м.
Террасы образуются при наступлении нового эрозионного цикла, когда
река снова начинает углублять свое русло и врезается в дно своей прежней
долины. Обычно в этом случае река вырабатывает себе более узкую долину
на более низком уровне (рис. 15-11). Во всех случаях полка террасы отве-
чает положению дна водотока на том или ином цикле развития до-
лины.
По своему характеру террасы подразделяются на эрозионные (рис. 15-12)
и аккумулятивные. Эрозионные террасы, как террасы размыва, формируют-
ся в коренных склонах долин и обычно сложены коренными породами
(рис. 15-13). Аккумулятивные террасы вырабатываются в толще аллювиаль-
ных отложений и в отличие от эрозионных слагаются разнообразными аллю-
218
Рис. 15-11. Образование террасы в результате углубле-
ния водотока во вмещающие его отложения
Рис. 15-12. Общий вид эрозионной террасы (р. Чер-
вак). Фото Л. И. Нейштадта
виальными отложениями, по своему составу отражающими тот или иной
цикл развития водотока.
Эрозионные террасы свойственны тем участкам водотока, где идет не-
престанная работа водотока по углублению его русла. Такие участки по
своему положению отвечают областям размыва. Вместе с тем эрозионные
террасы свидетельствуют о нескольких
циклах глубинной эрозии в условиях
резкого понижения базиса эрозии.
Аккумулятивные террасы отвечают
более сложному режиму водотока, свя-
занному с чередованием нескольких
циклов эрозии. Для разъяснения этого
положения обратимся к рис. 15-14.
Стадия а отвечает низкому сто-
янию базиса эрозии. В результате эро-
зии долина углубляется и расширяется.
На этой стадии возможно формирование
эрозионных террас.
Стадия б отвечает резкому по-
вышению базиса эрозии. Глубинная
Рис. 15-13. Эрозионные террасы (схе-
ма): аллювий (7 — песок, галька); ко-
ренные породы (2 — известняк; 3 —
глина)
Рис. 15-14. Процесс формиро-
вания аккумулятивных тер-
рас:
а—низкое стояние базиса эрозии;
б — резкое повышение базиса эро-
зии; в — последующее снижение ба-
зиса эрозии
эрозия прекращается. Долина до определенного уровня, отвечающего дну
водотока на этой стадии, выполняется аллювиальными осадками.
Стадия в отражает результаты последующего нового снижения базиса
эрозии. Эрозионная деятельность оживляется. Происходит новое углубле-
ние долины. Водоток врезает свое русло в толщу ранее отложенных им на-
носов.
220
Таким образом возникают аккумулятивные террасы, сложенные из
аллювиальных продуктов.
Ясное представление о характере террас является очень важным с точки
Зрения надлежащего выбора трасс мостовых переходов.
Г Л А В А 16
РАЗРУШИТЕЛЬНАЯ РАБОТА ВОЛН
Явления, связанные с формированием берегов морей и озер. Вопрос
о разрушительной работе волн моря, а также и крупных озер приобретает
особо важное значение для внешних оградительных сооружений в портах.
Однако с этим вопросом приходится сталкиваться и дорожникам в тех
случаях, когда трасса автодорог и железных дорог проходит в непосред-
ственной близости от волноприбойной линии, например на Черноморском
побережье Кавказа.
В соответствии с общим направлением денудационных процессов гео-
логическая деятельность моря сводится в основном к разрушению морского
берега под действием прибоя (рис. 16-1). Разрушение берега наступающим
на сушу морем приводит в конце концов к смыву и сносу всех выступающих
элементов суши, ее выравниванию и образованию таким образом обширных
равнин. Такой процесс именуется абразией*. Возможная форма результа-
тов абразии показана на рис. 16-2.
Эти процессы формирования геологического строения тех или иных тер-
риторий имеют громадное значение в связи с исключительными по грандиоз-
ности масштабами рассматриваемых явлений. Практически море в опре-
деленные геологические периоды распространялось по всей современной
суше, и, таким образом, разрушающая деятельность его сказалась в свое
время на всех пространствах суши.
На появление абразии во все геологические эпохи, несомненно, сказы-
вались те или иные морские трансгрессии, связанные с тектоническими
явлениями (опусканиетерритории). Вместе с тем многие авторы видят при-
чину повышения интенсивности абразии в современную эпоху в повышении
уровня мирового океана в послеледниковое время за счет таяния материко-
вого льда, еще в недалеком прошлом покрывавшем мощной шапкой толщи-
ной в 1—4 км громадные пространства суши в северном полушарии.
Работа по разрушению берегов морей волнением обусловливается как
непосредственным ударом волны и, одновременно, взвешиванием массива
при набеге волны, так и возникающими при этом сжатием воздуха в трещи-
нах породы, а также вакуумными явлениями. Сила удара воля в опреде-
ленных условиях достигает очень большой величины. Волны способны пере-
* От латинского abrado — брею, соскабливаю.
221
мещать во взвешенном в воде состоянии глыбы породы весом до 100 Т и
более. Поэтому становятся вполне понятными громадные разрушения, про-
изводимые волнами в зоне прибоя. Отмечен случай, когда в заливе Вика
(Шотландия) во время сильного шторма был передвинут на расстояние
свыше 10 м каменный массив
весом 1370 Т.
Интенсивность абразии,
естественно, определяется це-
лым комплексом причин. Важ-
ную роль играют здесь сте-
пень открытости водного бас-
сейна и глубина прибрежной
зоны, определяющие силу
волн, направление господст-
вующих ветров, режим моря
(приливы и отливы), клима-
тические особенности района
и наконец, что является на-
иболее важным, прочность .и
гидростойкость пород, под-
вергающихся волновому воз-
действию. Особенно неблаго-
Рис. 16-1. Подмыв и разрушение берега волнами
Рис. 16-2. Проявление абразии. Выровненная
поверхность крутопадающей толщи морских
отложений (песчаники, алевролиты, глинистые
слан цы)
приятным при этом оказыва-
ется падение пластов в сторо-
ну от моря. При обратной
картине или при горизонталь-
ном залегании пластов, а
также при пологом очерта-
нии берега интенсивность аб-
разии ослабляется. В зави-
симости от совокупности этих
условий интенсивность под-
мыва береговой полосы оце-
нивается в пределах от сан-
тиметров до нескольких мет-
ров (иногда десятков метров)
в год. В нашей практике от-
мечено отступание береговой
линии: в районе Одессы 1,5 —
2,0 .и в год, Сочи — 4 м в год
и, наконец, на побережье
Азовского моря 12 м в год
(невысокий глинистый берег).
222
Интенсивность абразии на берегах, сложенных скалистыми породами,
во многих случаях может оказаться в малые отрезки времени едва заметной.
Однако, как и при всяком другом геологическом процессе, результаты аб-
разии должны рассматриваться в разрезе геологических, иногда весьма и
весьма длительных сроков времени. В таком аспекте мы имеем все осно-
вания утверждать, что с течением времени любой береговой массив, сло-
женный даже наиболее прочными скалистыми породами, в надлежащих
условиях мог оказаться, полностью абразированным и уничтоженным. Об
этом, в частности, могут свидетельствовать остатки некогда мощных горных
сооружений, полностью уничтоженных эрозией и абразией.
При длительном стоянии горизонта моря на одном уровне или при от-
сутствии береговых течений обломочные продукты разрушения берегов
скапливаются непосредственно у береговой линии. Так образуется некото-
рая зона, сложенная обломочными продуктами, обычно песком, гравием
или галькой (пляжи). В других случаях мы встречаемся здесь со скопле-
нием и нагромождением скалистых глыб.
Однако при наличии береговых течений возможен также унос продуктов
разрушения берегов, причем иногда на весьма значительные расстояния.
Так, например, после постройки Сочинского мола был нарушен обычный
транзит наносов вдоль берега с севера на юг, что вызвало необходимость
принять специальные меры для защиты прибрежной пляжевой полосы и
берегов от размыва.
Морские течения обычно возникают в связи с ветровым режимом и
приливно-отливными явлениями. Морские течения увлекают за собой мел-
кие и тонкозернистые пески, как результат разрушения берегов. Эти на-
носы особенно обильно пополняются аллювиальными продуктами, выно-
симыми крупными реками в моря. При надлежащих условиях такие пески
вновь откладываются, образуя мели, бары, косы, песчаные пляжи и т. д.
Отложение песков особенно интенсивно происходит там, где на пути тече-
ния возникают разного рода препятствия как естественные, так и искус-
ственные. Например, постройка далеко выдвинутого в море мола в одном
из балтийских портов явилась причиной весьма интенсивного отложения
мелких песков с его верховой относительно направления течения сторо-
ны. Здесь за несколько десятков лет образовался громадный пляж шири-
ной до 500 м.
Важное значение имеют вопросы защиты от волнового воздействия при-
брежных территорий и расположенных в этой зоне сооружений и в осо-
бенности там, где наблюдается опускание суши и наступление на нее моря.
Трудность разрешения этой задачи связывается с наблюдаемой нередко ис-
ключительной силой волнового удара даже в наших внутренних морях.
В подтверждение этого положения отметим, что в 1890—1896 гг. в Новорос-
сийске во время шторма были сброшены в море с волнолома два бетонных
массива весом по 40 Т. Прежде защита берегов от абразивной деятельности
223
моря осуществлялась в основном массивными подпорными стенками. Од-
нако многие случаи разрушения таких стенок волнами вызвали необхо-
димость более осторожного их использования (рис. 16-3).
Так возникла идея борьбы с волпоприбоем более гибкими методами, спо-
собными в наименьшей степени резко нарушать естественный режим моря.
Это обстоятельство повело к все более частому отказу в использовании для
Рис. 16-3. Разрушение ограждающих берег подпорных
стенок прибоем
рассматриваемых целей оградительных сооружений с вертикальными стен-
ками с восприятием ими лобового удара волн и применению откосных
сооружений. В рассматриваемом отношении заслуживают внимания работы
по искусственному созданию и защите на берегах морей пляжевых полос
с использованием бун различного типа (пример Сочи). В последнее время
все чаще ставится вопрос об использовании с рассматриваемой целью ас-
фальтовых покрытий — нередко на распластанных песчаных бунах, лишь
едва возвышающихся над уровнем моря*.
Следует иметь в виду, что проявление абразии часто ведет к мощному
развитию в береговой полосе оползневых явлений.
Переработка бортов водохранилища. Переработка берегов искусственно
создаваемых водохранилищ представляет процесс их формирования приме-
нительно к создавшимся новым условиям, связанным с повышением уровня
воды в водоеме нередко на десятки метров.
* См., например: Ф. Ф. Цитшер. Применение асфальтовых покрытий для ук-
репления берегов. Перевод с немецкого под ред. Н. Н. Маслова. Стройиздат, 1964.
224
Нередко водохранилища, образуемые при строительстве плотин на во-
дотоках, достигают громадных размеров («моря)». Так, например, Щер-
баковское водохранилище на Волге по своей площади близко к Онежскому
озеру. При этих условиях прибрежная обстановка резко меняется.
Под водой оказываются горизонты,
которые в исторические сроки никогда
не затапливались водой даже при са-
мых высоких (катастрофических) павод-
ках.
В таких крупных в плане водоемах
создаются благоприятные условия для
волнообразования. В этих условиях бе-
рега по вновь создавшейся береговой
линии оказываются под воздействием
волн, нередко достигающих высоты в
несколько метров. Берега, сложенные
относительно малоустойчивыми порода-
ми, начинают быстро разрушаться
(рис. 16-4).
Наблюдениями отмечено, что раз-
мыв берегов водохранилища идет наи-
более интенсивно на участках их вог-
нутого профиля и на выступах берего-
вой линии, а также при косом подходе
волн к берегу (в 2—3 раза быстрей, чем
при фронтальном направлении волн).
Описываемый процесс связан с про-
явлением абразии в искусственно создан-
Рис. 16-4. Переработка волной бе-
рега в Волгоградском водохрани-
лище
ных условиях. Процесс этот в ряде
случаев может идти достаточно быстро:
нередко в течение немногих лет может
быть смыта береговая полоса шириной
в несколько десятков и даже более мет-
ров. При этом под непосредственной угрозой могут оказаться жилые квар-
талы городов, промышленные и транспортные объекты, которые потребу-
ют защиты или даже переноса, если это окажется экономически целесооб-
разным, в безопасную зону.
Для нового строительства должна быть установлена безопасная граница
возможного приближения сооружений к береговой бровке.
Следует иметь в виду, что процесс переработки бортов водохранилищ
связывается также с обмелением водоемов и, в частности, в береговой поло-
се, за счет отложения в них продуктов разрушения берегов.
Очевидно, что этот вопрос должен рассматриваться в связи с длитель-
8 Заказ № 549
225
ностью волнового воздействия на берег. В самом деле, во многих случаях
срок службы сооружений является относительно ограниченным. Для таких
сооружений рассматриваемый процесс переработки берегов может пред-
ставлять непосредственный интерес, скажем, на ближайшие 20—100 лет.
При этом возникает необходимость в соответствующих прогнозах. Изуче-
нием этого вопроса занимаются многие советские ученые*.
j Согласно данным В. А. Ширяева и Е. Г. Калугина скорость переработки
берегов при прочих равных условиях возрастает с уменьшением высоты бе-
регового откоса и определяется устойчивостью пород откоса против раз-
рыва. При средней высоте откоса 2—4 м над бечевником скорость разру-
шения береговой полосы за один сезон оказывается близкой: для лёссов —
к 8 м; для различных песков — к 2 м и для пород из класса глинистых (нес-
цементированных) — к 1 м.
Для оценки степени опасности, связанной с рассматриваемым процес-
сом, Е. Г. Калугиным выделяются в береговой полосе три подзоны:
а) подзона непосредственной угрозы;
б) подзона обрушения берега за 20 лет;
в) подзона конечной переработки.
При средних условиях ширина этих подзон определяется значениями,
приведенными в табл. 18.
Таблица 18
Ширина подзон (по данным Е. Г. Качугина)
Ширина от уреза высшего уровня, м
Порода
1-я подзона 2-я подзона 3-я подзона
Лёсс 60 160 Определяется расче-
Песок мелкозернистый 20 40 том (с большим при-
Песок среднезернистый 15 30 ближением)
Суглинки разные 10 20
Песок крупнозернистый и галечники 5 10
Для берегов, сложенных песчаными грунтами, размыв прекращается
при достижении ими уклона в 2—5°, то же — для четвертичных глинистых
отложений при 5—8°.
* См., например: Д. Н. Р о ш а. Изучение и расчеты переформирования берегов
озерной части водохранилища. Изд-во Ленгипроречтранса, 1958; Г. С. Золотарев.
Некоторые итоги изучения переработки берегов Куйбышевского и Рыбинского водо-
хранилищ. Изд-во МГУ, 1959; Е. Г. К о ч у г и н. Некоторые закономерности про-
цесса переработки берегов водохранилищ. Труды лаборатории гидрогеологических
проблем АН СССР, т. 35. Изд. АН СССР, 1961.
226
Скорость волновой переработки берегов, сложенных коренными поро-
дами, значительно ниже и по своей величине во многих случаях не имеет
практического значения. Однако в этом случае возникает уже новый воп-
рос о подмыве берегов и о развитии здесь в связи с этим подмывом оползне-
вых явлений, в особенности при сработке уровня водохранилища (см.
гл. 15).
Разрушения и переработка берегов, как показывают многочисленные
наблюдения, могут начаться непосредственно после заполнения водохра-
нилища и проходить в соответствующих условиях весьма интенсивно во
времени, особенно при сработке уровня водохранилищ. В каждом случае,
когда возникает подобная угроза, следует тщательно изучить вопрос и раз-
работать прогноз интенсивности переработки береговой линии водохрани-
лища во времени. В необходимых случаях должны быть намечены и осуще-
ствлены надлежащие мероприятия по обеспечению безопасности прибреж-
ных сооружений на тот или иной срок.
Транспортные магистрали сооружаются (или переносятся) на безопас-
ных расстояниях от береговой бровки, устанавливаемых соответствующими
прогнозами. Трассы вновь проектируемых мостовых переходов в этих слу-
чаях должны намечаться по возможности в условиях размещения мосто-
вых опор на породах, слабо или практически совсем не.поддающихся раз-
мыву. В других случаях оказывается необходимым переходить к защите
мостовых подходов и опор мостов против возможного их размыва и подмыва.
Помимо обычных мероприятий этого рода (каменные наброски, буны, фа-
шинные тюфяки и т. д.), во многих случаях может оказаться целесообраз-
ным устройство надлежаще защищенных от размыва, например бетонными
плитами, песчаных банкетов. Наиболее просто эти банкеты могут быть вы-
полнены средствами гидромеханизации. В последнее время для защиты
берегов все более широко начинает применяться асфальт (см. сноску на
стр. 224). Значительные трудности в разработке защитных мероприятий
данного рода возникают в связи с отсутствием до сего времени надежных
методов прогноза скорости развития рассматриваемого процесса. При этом
условии большое значение приобретает «метод аналогий», базирующийся
на данных непосредственных наблюдений.
ГЛАВА 15
ОПОЛЗНИ И ОПОЛЗНЕВЫЕ ЯВЛЕНИЯ
Причины нарушения устойчивости склонов и откосов. Под оползнем
мы разумеем более или менее медленное смещение под влиянием силы тяжес-
ти земляных масс вниз по склону (рис. 17-1). Это явление обычно сопровож-
дается большим или меньшим расстройством естественной структуры грунта.
Оползни происходят в том случае, когда возникающие по тем или иным при-
8*
227
чинам в массе грунта вблизи откоса сдвигающие (касательные) напряжения
оказываются более высокими, чем те, которым может противостоять грунт.
При нарушении устойчивости толщи грунта, являющегося основанием для
сооружения, подвергается перемещению и само сооружение. Будучи всегда
неравномерным, такое перемещение неизбежно ведет к перекосам, осадке,
искажению архитектурных форм, нарушению нормальных условий работы
механизмов и в худшем случае, к сожалению нередком, к полному расст-
ройству и разрушению сооружения.
Рис. 17-1. Оползень на правом берегу р. Днепра в
районе Киева
Оползни представляют угрозу для всех видов инженерных сооружений.
В городах и поселениях оползни опасны для зданий и городских магистралей,
расположенных на склонах, в частности на береговых склонах (рис. 17-2 —
17-4). Известны многочисленные случаи повреждения оползнями промыш-
ленных объектов, расположенных на берегах рек и склонах в горных усло-
виях.
Во многих случаях эксплуатация железнодорожных линий и автомо-
бильных дорог чрезвычайно затруднялась оползневыми явлениями. Нередко
в результате обвалов, оползней и смещения полотна дороги движение здесь
нарушалось и даже приостанавливалось на относительно долгие сроки
(рис. 17-5). Такое положение нередко возникало на береговом Черномор-
ском шоссе и имело место на автостраде Симферополь — Ялта. При опре-
деленных обстоятельствах для обеспечения бесперебойного движения воз-
никает необходимость перетрассировать особенно опасные в оползневом
228
Рис. 17-2. Характер де-
формация здания в свя-
зи с оползневыми яв-
лениями
Рис. 17-3. Оползневая
деформация трамвайно-
го пути. Пригород
г. Киева
I
отношении участки железных и автомобильных дорог. В некоторых случа-
ях эта перетрассировка связывалась с отказом от высоких насыпей или
с выводом трассы дорог из выемок. В других условиях оказывалось необхо-
димым полностью выносить трассу дороги за пределы оползневых участков
с передвижкой на несколько километров в сторону (автомобильные дороги)
или переходить к тоннельным вариантам (железные дороги и гидротехни-
ческие сооружения). Однако и тоннельные варианты транспортных и
гидротехнических сооружений отнюдь не
застрахованы от оползневой опасности.
Здесь в угрожаемом положении могут ока-
заться портальные (головные) участки, где
тоннели врезаются в толщу покровных
отложений, нередко малоустойчивых. Ма-
ло того, в практике тоннелестроения от-
мечены случаи среза тоннелей в результа-
Рис. 17-5. Разрушение дороги в
связи с оползнем. Район «Золо-
того берега». Черноморское по-
бережье Кавказа
Рис. 17-4. Перерыв в движении транспорта в
связи с завалом в результате оползня
те контактных смещений пачек коренных пород (например, покровных ба-
зальтов) по наклонной поверхности подстилающих их третичных мергелей.
При неудачном выборе створов Постовых переходов (без учета ополз-
невого характера склонов) оползнями могут быть повреждены береговые
и даже промежуточные опоры, вызывая в некоторых случаях полное нару-
шение мостовых конструкций. В этом отношении весьма показателен слу-
чай на постройке железнодорожного перехода через Волгу в г. Симбирске
230
(ныне Ульяновске). Здесь в 1915 г. произошел оползень, в результате кото-
рого была разрушена только что законченная каменная береговая эстакада
(рис. 17-6). Интересно отметить, что опоры эстакады были заложены на зна-
чительную глубину (до 7 м). Наклон опор произошел в результате интен-
сивного смещения покровной толщи по подстилающим ее коренным породам,
на которых были обоснованы опоры. Горизонтальное смещение достигло
5,2 м. Катастрофа надолго задержала открытие движения по новому мосту.
Весьма характерный
случай произошел в свое
время с одним из мостов
через р. Москву (рис. 17-7).
После интенсивных ливней
была отмечена значитель-
ная (до 50 см) осадка и под-
вижка подходной к мосту
насыпи. Одновременно
вдоль насыпи была заме-
чена волнообразная дефор-
мация грунта. Близко
расположенные к насыпи
здания деформировались с
образованием многочислен-
ных трещин. Сваи в осно- рис |7.6О Общий вид разрушения оползнем в
вании устоя моста были 1915 г. береговых опор эстакады Симбирского
срезаны, сам устой дефор- железнодорожного моста
мировался, что повело к
сдвигу ферм моста. Причи-
на деформации — оползневые явления в толще юрских глин, перекрытых
толщей аллювиальных отложений.
В зарубежной практике широкую известность получил случай с мостом
на реке Peace-Riuer (Британская Колумбия)*. Мост был возведен во время
войны и втечение 15 лет эксплуатировался в нормальных условиях. В 1957 г.
на одном из берегов произошел оползень. Береговой устой сместился и
наклонился в сторону реки на 3,5—4,0 м, причем его фундамент остался на
месте. В результате оползнем были разрушены устой, первый пролет эста-
кады и два мостовых пролета длиной 153 м. Восстановление моста оказалось
нецелесообразным и он был построен заново на другом створе. Предпола-
гается, что смещение покровных ледниковых отложений (морена) прошло
по контакту с их подстилающими слабыми глинистыми сланцами.
Отметим здесь еще два любопытных случая из нашей строительной прак-
тики. В 1915 г. оползнем был деформирован однопролетный железный мост на
* Civil Engineering, 1957, Dec.
231
каменных опорах в районе Гурзуфа (Крым). При этом устои моста и весь
мост в целом были перемещены на 1,5—2 м вниз по склону с общим его по-
воротом на несколько градусов. Другой случай, произошедший в 1890 г.,
связан с деформацией сдвига в результате оползня устоя железнодорожного
виадука через Графскую балку (Крым). Здесь создалось такое тяжелое по-
ложение, что во избежание катастрофы мост был разобран и заменен насы-
пью.
Все по той же причине оказался деформированным целый ряд мостов на
участке Сочи — Сухуми Черноморского шоссе. Наиболее значительно
Рис. 17-7. Продольный геологический профиль моста
через р. Москву:
1 — аллювиальные отложения (пески с прослоями глин и плывунов);
2— черные юрские глины; 3 — темно-серые юрские глины; 4 — серые
мергелистые глины; 5— каменноугольные известняки
был деформирован мост на 20-м километре. Известны случаи смещения ряда
мостов и их устоев также по трассе Черноморской железной дороги.
С точки зрения первичной оценки степени устойчивости все склоны
могут быть подразделены на три категории: 1) склоны сноса-, 2) склоны об-
рушения, в частности склоны подмыва-, 3) склоны накопления.
| Под склонами сноса подразумеваются формы рельефа, которые
создаются в результате воздействия геологических денудационных агентов,
приложенных сверху (вода, лед, ветер и т. д.). В конечном итоге склон
насильственно выглаживается и выполаживается до полной пенеплениза-
ции (выравнивания). При этом в общем случае склоны сноса должны обла-
дать тем или иным запасом устойчивости.
Склоны обрушения характерны для участков, пораженных
оползнями или угрожаемых в оползневом отношении. В этой категории осо-
бенно интересны склоны подмыва. К ним относятся береговые склоны, не-
престанно формирующиеся в результате эрозионной и абразионной подмы-
вающей деятельности водотоков и водоемов (морей, озер). Очевидно, что
такие склоны находятся в состоянии временного предельного равновесия,
которое в любой момент может быть легко нарушено. В этом случае могут
232
возникнуть оползневые явления, и склон окажется в неустойчивом состоянии.
Примером может служить подмываемый Волгой береговой склон в районе
г. Ульяновска (рис. 17-8).
Склоны накопления образуются, как это показывает само
название, в результате накопления продуктов разрушения горных пород
у подножия коренных склонов. Во многих случаях склоны накопления в
связи с характером их образования находятся в состоянии предельного рав-
новесия. Особенно интересными и опасными в этом отношении являются
действующие осыпи, представляющие собой скопление в основном грубооб-
ломочных продуктов вывет-
ривания (рис. 17-9).
Нарушение устойчивости
склона с развитием оползне-
вых явлений при достигну-
том равновесном состоянии
может быть обусловлено воз-
действием таких факторов:
а) увеличением активных сдви-
гающих сил; б) уменьшением
сил сопротивления; в) одно-
временным воздействием обо-
их факторов.
Увел ичен ие акт ивных
сдвигающих сил, а следова-
тельно, и развитие оползне-
вых явлений по этой причи-
не, связано со сдвигающими
•усилиями, возникающими за
счет возводимых на склоне
инженерных сооружений, от-
сыпки кавальеров, и т. д., а
также с увеличением веса са-
мой толщи, с возрастанием
крутизны откоса и т. п.
Понижение сил сопротив-
ления в свою очередь вызы-
вается снижением сопротив-
ляемости сдвигу горных по-
род, слагающих склон,
уменьшением объема и веса
удерживающих масс, в част-
ности при устройстве выемок
вдоль склона.
Рис. 17-8. Подмываемый Волгой оползневый
береговой склон в районе г. Ульяновска
Рис. 17-9. Дорога но осыпи на береговом
участке. Кавказ
233
Факторы, способные вызвать эти изменения, исключительно многочислен-
ны и многообразны.
Существенную роль в нарушении устойчивости склонов играют процес-
сы выветривания. Эти процессы в общем случае приводят к понижению со-
противляемости пород сдвигу, в частности, за счет снижения в них струк-
турного сцепления. Процесс этот нередко сопровождается интенсивным
трещинообразованием. Подобного же рода явления могут возникать в связи
с длительной медленной деформацией склона в результате проявления
ползучести слагающих его грунтов (см. гл. 26).
Наиболее важным оказывается влияние на склон поверхностных и под-
земных вод, в первую очередь грунтовых. Влияние этих вод на степень
устойчивости оползневых масс может выражаться:
а) в дополнительном увлажнении и ослаблении грунтовых масс, ранее
залегавших выше уровня грунтовых вод;
б) во взвешивающем воздействии на грунтовую толщу напорных вод,
сопровождающимся уменьшением нормальных эффективных (давление на
скелет грунта) напряжений и тем самым ослабляющим действующие в
грунте силы сопротивления трения;
в) в гидростатическом давлении воды, заполняющей трещины в грун-
товом массиве и тем самым увеличивающей действующие на него сдвигаю-
щие силы;
г) в силовом увлекающем воздействии потока грунтовых вод на вмещаю-
щие их грунтовые массы (гидродинамическое, или фильтрационное, давле-
ние)’,
д) за счет выноса из подстилающей толщи песка.
Дополнительное водо насыщение слабо увлажненных
покровных масс грунта атмосферными и хозяйственными водами может про-
исходить как с поверхности, так и снизу, в их восходящем движении под
некоторым напором, из подстилающего оползающие массы водоносного
горизонта (например, на контакте с коренными породами), питающегося
этими водами на более высоких уровнях склона. В этом случае большое
значение приобретает быстрое повышение горизонта грунтовых вод или на-
пора водоносного горизонта, за счет более обильного питания этого го-
ризонта, например в период снеготаяния или интенсивного выпадения осад-
ков в осеннее время.
В рассматриваемых условиях взвешивания толщи и наличия значитель-
ных градиентов восходящего потока подпитывание водой покровных масс
идет особенно легко. Во всех случаях при оценке степени устойчивости зем-
ляных масс необходимо не упускать из виду, что дополнительное увлажнение
водонасыщенных глинистых грунтов может идти лишь при изменении
условий нагрузки (например, от собственного веса толщи) в сторону ее по-
нижения.
Таким образом, оказывается, что взвешивающее противо-
234
давление грунтовых вод и в этом смысле приобретает решающее зна-
чение.
Необходимо иметь в виду, что при наличии в основании оползневой тол-
щи восходящей фильтрации с напором, равным мощности оползающего
слоя, т. е. при гидравлическом градиенте, равном 1,0, степень ее устойчи-
вости за счет взвешивающего воздействия воды может снизиться почти вдвое.
С повышением напора в контактной зоне до удвоенной мощности оползаю-
щего слоя степень его устойчивости в определенных условиях может сни-
зиться практически до нуля. Это тем более опасно, что практически наблюда-
даемая степень устойчивости склона, неблагополучного в оползневом отно-
шении, обычно оказывается близкой к равновесному положению.
Г идродинамическое, или фильтрационное, дав-
ление грунтовых вод, фильтрующих в оползневом теле вниз
по склону, имеет однозначное влияние: степень1 устойчивости оползневого
склона, как правило, повышается при искусственном снижении уровня,
а также напора подземных вод, и наоборот.
Дополнительно следует отметить, что атмосферные воды, насыщая по-
кровную толщу, увеличивают ее вес и тем самым снижают степень устойчи-
вости склона, особен но,, если покровные горизонты представлены песчаными
и им подобными грунтами со свободными от влаги порами.
Весьма отрицательную роль могут оказать воды водотоков и водоемов,
омывающих склон, как с точки зрения возможного подмыва и раз-
мыва его упорной части, так и за счет смачивания толщи склона при повы-
шении уровня воды. В этом процессе, связанном с ослаблением в толще
склона глинистых грунтов, особое значение приобретает повышение
уровня грунтовых вод, например, при паводке или заполнении искусствен-
ного водохранилища.
При быстром понижении уровня воды склон может оказаться в сложных
условиях, хотя бы вследствие утяжеления грунтовой толщи при спаде
воды за счет снятия взвешивающего его противодавления и одновременно
возникающего воздействия интенсивного оттока грунтовых вод (гидродина-
мическое, или фильтрационное, давление). Эти факторы могут резко
понизить степень устойчивости оползневого склона.
Хозяйственная деятельность человека неред-
ко требует дополнительного обводнения склона (поливы, сброс хозяйст-
венных вод и т. д.). Вредной может оказаться распашка территории (более
благоприятные условия для проникания в толщу атмосферных вод) и унич-
тожение на склоне растительности (ослабление связующей роли корневой
системы). В определенных условиях неблагоприятно может воздейство-
вать на склон и транспорт (сотрясение).
Строительство нередко связывается с подсечкой склона (выемки)
и увеличением нагрузки на него (вес отвалов земли и сооружений).
235
Сейсмические явления сопровождаются воздействием па
склон инерционных сил (увеличение сдвигающих усилий) и понижением
сопротивляемости сдвигу пород, слагающих склон (переход при сотрясении
водонасыщенных песков в разжиженное состояние, ослабление структурно-
го сцепления и т. д.).
Возможные формы нарушения устойчивости склонов и откосов. Наи-
более важные формы возможного нарушения устойчивости и деформации
природных склонов, а также искусственных откосов в предложенной авто-
ром классификации приведены на рис. 17-10.
Рис. 17-10. Формы нарушения устойчивости и деформации склонов:
а — обвалы и вывалы; б — обрушение со срезом и вращением; в — скол при про-
садке (по И. С. Рагозину); г — скольжение; д — оползень-сдвиг; е — оползание;
ж — оплыв; з— пластическая деформация с заломом голов пластов; и — вековая
переработка склона
Наиболее характерной чертой обвалов (рис. 17-10, а) является их
относительная неожиданность. Чаще всего они свойственны жестким по-
родам (скалистым и глинистым сцементированным) в крутых уступах с
развитой трещиноватостью. Обычно устойчивость таких уступов и крутых
откосов обеспечивается свойственным таким породам структурным сцеп-
лением. Нередко в результате прогрессирующего выветривания толщи, в
первую очередь морозного выветривания в высокогорных районах, устойчи-
вость откосов или отдельных слагающих толщу откоса элементов — камен-
ных блоков, может оказаться резко сниженной. В рассматриваемом отноше-
236
Рис. 17-11. Обвал в толще конгломератов, песчаников и алевро-
литов (из материалов Ленгипротранса)
Рис. 17-12. Обрушение склона в результате неоднократно-
го среза с вращением
нии большую опасность представляет замерзание воды, скопляющейся в
трещинах, в ночное время. При оттаивании льда в дневное время, в осо-
бенности на склонах с южной экспозицией, могут возникнуть опасные кам-
непады. Такие обвалы и вывалы иногда могут быть вызваны ничтожными
причинами, например звуком отдаленного взрыва или грома.
Во многих случаях обвалы могут возникнуть в связи с сейсмическими
явлениями, а также при подмыве водотоком крутых берегов, в особенности
когда в основании под толщей более жестких пород находятся менее устой-
чивые. Опасность обвалов и вывалов возрастает при строительстве дорог,
когда подсекают толщу, характеризующуюся падением слагающих ее плас-
тов в сторону выемки. Обвалы и значительные вывалы во всех случаях мо-
гут грозить полным нарушением движения по транспортным магистралям
(рис. 17-11).
Обрушение со срезом и вращением (см. рис. 17-10, б)
свойственно в основном склонам и откосам, сложенным глинистыми по-
родами с достаточно однородным строением. Обрушение склона или откоса
происходит при этом подобно разрушению некоторого элемента монолитной
строительной конструкции при его перенапряжении под нагрузкой.
В откосе перенапряженное состояние создается обычно под воздействием
собственного веса грунта. Это состояние, как в любом ином теле, характе-
ризуется появлением в толще откоса поверхностей с повышенной опасностью
возможного по ним среза (скола) определенной части толщи как монолитно-
го массива. Положение и характер поверхностей скольжения (поверхностей
скола) в толще такого откоса диктуются лишь соотношением действующих
в толще сил, определяемых формой откоса как несущего тела. Законы эти
определяются методами строительной механики.
В соответствии с этими законами в плоскости чертежа линии возможного
среза откоса носят криволинейный характер и с некоторым приближением
могут быть приняты за дуги круга, что дает возможность относительно
просто оценивать степень устойчивости таких склонов расчетным путем
(см. гл. 29).
В более сложных, но часто встречающихся случаях поверхности сколь-
жения (среза) определяются особенностями геологического строения толщи.
Так, например, грандиозный оползень-обвал 24 апреля 1964 г. в районе се-
ла Айни, перекрывший полностью течение многоводной р, Зеравшан (Тадж.
ССР), произошел в связи с наличием здесь мощной линии разлома, протяги-
вавшейся параллельно берегу. Возникшая в связи с этим угроза с воз-
можными катастрофическими последствиями для многих населенных пунк-
тов и угодий, как известно, благодаря принятым мерам была полностью
ликвидирована в рекордно короткий срок. Нередко криволинейная в верх-
ней своей части линия скольжения переходит ниже в прямую или ломаную,
приспосабливаясь к контактам отдельных слоев или форме поверхности
подстилающей толщи.
238
Рис. 17-13. Развитие про-
цесса выноса песка в ос-
новании откоса грунтовом
водой (явление суффозии)
Обрушение может выразиться в ряде последовательных срезов, при-
уроченных к возникающим под нагрузкой линиям скольжения (рис. 17-12).
Благодаря криволинейности линии среза перемещение оползающего
блока происходит с вращением его вокруг одного или последовательно сме-
няющихся мгновенных центров. Срез с вращением вокруг одного центра
имеет место при круговом характере кривой скольжения. Вследствие этого
верхняя часть сдвинувшегося блока всегда несколько запрокинута в обрат-
ную сторону. Сам срез очередного блока происходит обычно очень быстро,
хотя подготавливается он постепенно (трещи-
ны). Скорость дальнейшего перемещения по
склону срезанных блоков или продуктов их
распада определяется другими условиями,
рассматриваемыми ниже.
Характер обрушения склона в результате
скола при просадке иллюстриру-
ется рис. 17-10, в. Просадка склона может
быть вызвана отдавливанием из толщи отко-
са или из его основания слабых, размягчен-
ных пород (чрезмерные крутизна и высота
откоса), истечением из толщи гидродинамиче-
ски неустойчивых песков-плывунов (при лю-
бой пологости откоса), выщелачиванием гид-
рохимически неустойчивых пород (каменной
соли, гипса, ангидрита и т. д.), наличием
резко просадочных лёссовидных пород и во-
обще пород с избытком пористости, в частно-
сти рыхлых песков, и, наконец, при оттаи-
вании вечномерзлого грунта и ископаемого
(каменного) льда. Характер этого явления
иллюстрируется рис. 17-13— 17-15.
Подчиняясь увлекающему движению вы-
давленных или вытекших из толщи масс,
сколотые блоки с весьма незначительной ско-
ростыо перемещаются по склону. Сам скол, подготовляясь постепенно,
происходит очень быстро. Известны случаи обрушения берегов на значи-
тельном протяжении в результате скола при просадке с вертикальным пе-
ремещением до 10 м за несколько минут. Особенно часто такие явления
возникают при выносе грунтовыми водами на откос из толщи склона мел-
козернистых песков. Это обстоятельство явилось причиной грандиозного
оползня в 1941 г. в районе Бекетовки (Волгоградская область). Подобные
же явления наблюдались на крутом берегу Днепра в районе Киева (ис-
следования Укргидропроекта, 1960—1961 гг.).
Истинная причина таких оползней часто маскируется сопровождающими-
239
ся явлениями. Однако для получения эффективного результата от проек-
тируемых противооползневых мероприятий истинная причина оползня во
всех случаях должна быть надежно установлена, что часто сопряжено со
значительными трудностями. Очень вероятно, что истинной причиной разви-
тия оползней на Батракском косогоре, ставших классическими, является
малая гидродинамическая устойчивость подстилавших склон батских пес-
ков. Возможно, что малый успех противооползневых мероприятий на этом
склоне является следствием недостаточного внимания к описываемому яв-
лению.
Рис. 17-14. Оползень, вызванный нарушением устойчи-
вости подстилающего глинистого пласта («скол при про-
садке»). Район Одессы
Наиболее характерными чертами оползня-скольжения яв-
ляются (см. рис. 17-1(5, г):
а) ясно выраженная, определяемая геологическим строением толщи по-
верхность скольжения со значительным углом падения в сторону склона;
б) относительно геометрически правильная форма этой поверхности;
в) перемещение по поверхности скольжения целых глыб или пачек пород,
отчленившихся от основных массивов склона.
Поверхностями оползневого скольжения в данном случае чаще всего
являются плоскости напластования, относительно маломощные глинистые
прослои, контакты двух свит слоев, залегающих несогласно (трансгрессив-
ное залегание), а также мощные линии тектонических разломов.
240
Рис. 17-15. Скол при просадке берегового
склона (фото Л. А. Молокова)
Скольжение пачек или блоков скальных выветрелых пород по плоскос-
тям отдельности при наклонном их залегании всегда вызывает беспокой-
ство за устойчивость береговых мостовых опор и портальных участков
тоннелей, возводимых в подобных условиях (рис. 17-16).
Скольжение пачек плас-
тов нередко происходит при
наличии в толще глинистых,
хлоритовых, тальковых и
слюдистых сланцев. Во всех
случаях решающую роль иг-
рает смачивание поверхнос-
тей скольжения водой.
Условия проявления
оползня-сдвига вид-
ны на рис. 17-10, д. Сдвиг
обычно происходит под воз-
действием бокового давления
проседающих земляных масс
(распор) и фильтрационного
давления грунтовых вод.
Сдвиг сопровождается перемещением перекрывающей толщи по слабой про-
слойке или по увлажненной поверхности подстилающего глинистого пласта,
часто при горизонтальном его залегании. Таким образом, вес смещаемого
Рис. 17-16. Скольжение выветрелых блоков скальной по-
роды (сиениты Кольского полуострова)
241
Рис. 17-17. Оползень-сдвиг покровной толщи
по плоскости напластования (Свирьстрой,
1934 г.)
боковым давлением массива в данном случае уже не является активизатором
оползневого процесса. Падение слабого пласта в сторону откоса увеличива-
ет опасность нарушения его устойчивости.
В своей наиболее крутой части поверхность скольжения обычно совпа-
дает с вертикальной или почти вертикальной трещиной отрыва. Далее она
идет по нисходящей крутой ветви вплоть до пересечения со слабой прослой-
кой, с которой и сливается на своем дальнейшем протяжении. Рис. 17-17
иллюстрирует эту форму
оползня в его реальном про-
явлении.
Оползание (см. рис.
17-10, в), представляет собой
наиболее часто встречающую-
ся форму дальнейшего разви-
тия оползневого процесса. В
отличие от форм среза с вра-
щением и скольжения опол-
зание характеризуется сле-
дующим:
а) отсутствует поверхность
скольжения, секущая массив
склона; роль этой поверхно-
сти обычно играет поверх-
ность коренных пород, сла-
гающих толщу склона, кото-
рую мы будем здесь назы-
вать поверхностью оползания;
б) поверхность оползания, как правило, имеет неправильную фор-
му, свойственную рельефу коренных пород;
в) оползающая толща не монолитна (блоки, пачки), а представляет собой в
основном землистую массу в виде продуктов выветривания или распада про-
дуктов обрушения склона на более высоко расположенных его уча-
стках.
Рассматриваемая форма нарушения устойчивости покровных земляных
масс па оползневых склонах достаточно обычна. Показательным примером
в этом отношении может служить береговой косогор Волги в г.Ульяновске.
Здесь, как и во многих других случаях, решающим оказывается взвешиваю-
щий и гидродинамический эффект в связи с переменным по сезонам режимом
грунтовых вод.
При большой мощности оползающей толщи в концевом ее языке всегда
возможно развитие оползней в виде обрушения со срезом и вращением.
В этом случае мы сталкиваемся с оползнем сложного комплексного вида,
что бывает весьма часто. С подобными явлениями мы столкнулись на ополз-
242
невом склоне на 427—428-м километре линии Джалал-Абад — Кок-Янгак
Ташкентской ж. д. (исследования Гипротранскарьера, 1960 г.).
Оползание весьма характерно для делювиальных масс. При мощном раз-
витии делювия процесс оползания может получить исключительное развитие.
В этом отношении весьма показательны оползневые явления на Юж-
ном побережье Крыма. При большой вязкости оползающей массы, т. е.
при малой степени ее увлажнения, процесс оползания может протекать
исключительно медленно (со скоростью 1—2 см в год).
При более высокой степени увлажнения оползающих масс и особенно при
оползании по искривленному в плане руслу процесс оползания носит харак-
тер пластичного и вязкого течения вещества (рис. 17-18). В этом случае ско-
рость оползания повышается, оставаясь все же относительно невысокой и
измеряемой немногими метрами в сутки. При возрастающем увлажнении
оползающих масс оползень все более приобретает характер грязевого
потока и в конечном итоге может приобрести форму селя.
Оплывы (см. рис. 17-10, ж) по своему характеру близки к оползанию
в виде грязевого потока. В обоих случаях происходит перемещение по скло-
ну потерявших свою естественную структуру обильно увлажненных земля-
ных масс. Однако между этими смежными по существу формами имеется и
существенная разница: при оползании учитывается перемещение по склону
земляных масс, уже ранее отчлененных от коренной толщи, слагающей
склон или откос; при оплыве же наиболее характерным является как раз
сам процесс отчленения некоторой массы породы от толщи при резко выра-
женном локальном переувлажнении. При этом, как правило, нет фиксирован-
ной геологическим строением толщи поверхности оползания и тем более
поверхности скольжения. Оплыв происходит обычно в пределах затронутой
этим процессом толщи и не распространяется до подстилающих пород,
т. е. оплыв имеет местное (локальное) и поверхностное выражение, приуро-
чиваясь к сосредоточенным выходам на откос грунтовых вод (ключей, ис-
точников). Характер этого явления иллюстрируется рис. 17-19.
Весьма часты оплывы в поверхностной зоне откосов, сложенных рыхлы-
ми несвязными массами, способными при переувлажнении приобретать
характер плывунов. В некоторых случаях бурное оплывание песчаных от-
косов возникает в результате нарушения их общей устойчивости в связи
со сдвигом по подстилающим слабым пластам. Такой случай, ставший
классическим, имел место при обрушении откоса на плотине Форт-Пэк
(США), когда несколько миллионов кубических метров разжиженного
песка оказались отброшенными на расстояние до 500 м.
Весьма поучительна авария, происшедшая в тех же условиях летом
1960 г. в одном из волжских портов, когда в результате аналогичного опи-
санному выше процессу тяжелые бетонные плиты берегового крепления
были в течение немногих минут перемещены на расстояние до 160 м от бе-
рега, а некоторые из них оказались погруженными в сплывшую с откоса
243
Рис. 17-18. Оползание. Земляной поток
подпорной стенки
движется поверх
Рис. 17-19. «Оплыв» в зоне выхода на откос грунтовых
вод
разжиженную песчаную массу на глубину до 0,8—1,0 м (рис. 17-20). Как
показывает анализ вопроса, подобные явления в толще затопленных песча-
ных откосов возникают при
динамическом на них воздей-
ствии (см. гл. 27).
Оплывы могут возникать
и в откосах, сложенных лёс-
сами. В сухом состоянии лёс-
сы способны держать весьма
высокие крутые откосы, од-
нако в зонах выхода па по-
верхность грунтовых вод
лёсс, будучи обильно насы-
щен водой, теряет свою ус-
тойчивость и легко оплывает
(рис. 17-21).
Оплывы могут развивать-
ся и в песках с достаточно
Рис. 17-20. Разрушение бетонного крепления
берегового откоса в результате оползня в реч-
ном порту (из материалов Ленгипроречтранса)
грубозернистым составом на затопленных от-
косах (береговая полоса, откосы мостовых под-
ходов) при резком спаде уровня воды в водое-
ме или водотоке. Подобные же явления, как
это указывалось выше, могут возникнуть в
толще водонасыщенных мелко- или тонкозер-
нистых песков в результате сотрясений или
иных случаев проявления динамической и гид-
родинамической нагрузки (см. гл. 27). Скорость
протекания оплыва может быть весьма большой
и достигать нескольких метров в минуту или
даже в секунду.
Если грязевой поток или сплыв можно рас-
сматривать как течение маловязкого переув-
лажненного материала, то пластическая дефор-
мация является весьма медленно протекающим
во времени процессом (см. рис. 17-10, з). Дли-
тельные пластические перемещения могут най-
ти свое выражение на склонах и откосах,
сложенных всеми разностями пород, за исклю-
чением сыпучих. Этот процесс обычно
сопровождается «заломом» голов пластов
в сторону склона с нарушением монолит-
ности горного массива, часто на значительную
глубину (до 10—20 м и более).
Рис. 17- 21. Вывал в от-
косе в толще лёсса в зоне
высачивания грунтовой
воды
241
Сам процесс пластической деформации может протекать столь медленно,
что последствия его часто полностью затушевываются другими явлениями
и процессами (выветриванием, эрозией и т. д.). Однако уже при скоростях
порядка нескольких сантиметров в год пластические перемещения могут
представить интерес и со строительной точки зрения, в том числе с точки
зрения осложнения условий работы
устоев мостов, порталов тоннелей
и различных подпорных сооруже-
ний.
Поверхностная зона любого скло-
на находится под непрерывным воз-
действием самых разнообразных фи-
зических явлений: нагревания и ох-
лаждения, промораживания и оттаи-
вания, смачивания и высушивания,
раскачивания деревьев, давления
корней, деятельности землероев и
т. п. Эти процессы, воздействуя на
покровные дезинтегрированные (рас-
члененные и разложившиеся) массы,
могут способствовать их перемещению
вниз по склону с различной интенсив-
Рис. 17-22. Потоки гранитных осыпей
ностью во времени при самых малых
углах (3—5й) его наклона. Так идет
вековая переработка склона (см. рис. 17-10, и).
Процессами переработки затрагивается обычно покровная толща мощ-
ностью не свыше 1—2 м. Скорость перемещения переработанной покровной
толщи может оцениваться как малая, измеряемая сантиметрами в год,
или как исключительно малая — миллиметрами в год. Такие небольшие
перемещения и деформации склонов представляют практический интерес
лишь в особых случаях. В качестве иллюстрации описываемого процесса
может служить рис. 17-22, где видны «потоки» гранитных осыпей, медлен-
но смещающихся вниз по склону. Обращает на себя внимание масштаб яв-
ления (слева на рисунке видны всадники).
Противооползневые мероприятия. Во многих случаях борьба с ополз-
нями оказывается сложной, трудной и нередко еще до сего времени мало-
успешной.
Принципиально наиболее простым решением вопроса явилось бы прове-
дение дорог и пересечение водотоков мостовыми переходами по трассам и
створам, свободным от оползневой угрозы. Однако такое решение вопроса
не во всех случаях возможно, и поэтому при строительстве нередко прихо-
дится разрабатывать и осуществлять активные противооползневые мероприя-
тия.
246
Рис. 17-23. За-
щита от под-
мыва оползне-
вого берега тет-
раполами
(г. Ульяновск)
Рис. 17-24. Защита автострады
от оползневых масс подпорной
стенкой (фотоС. А. Трескинского)
Рис. 17-25. Крепление стены зда-
ния на оползневом склоне контр-
форсами
Противооползневые мероприятия весьма многочисленны и многообраз-
ны*. Главнейшие из них сводятся к осушению оползневых масс при помощи
водоотводных, перехватывающих и дренажных устройств (канав, дренажей,
водосборных штолен и т. д.). При наличии в толще напорных вод большое
значение приобретают мероприятия по снятию действующего здесь взвеши-
вающего толщу противодавления. Существенную роль в этом отношении иг-
рает также планировка поверхности склона для упорядочения стока поверх-
ностных вод и уменьшения инфильтрации. Весьма полезны берегозащитные
Рис. 17-26. Проволочная сеть как
мероприятие против вывалов
мероприятия против возможного под-
мыва склонов (отмостка, каменная на-
броска, буны и т. д.) (рис. 17-23). Во
многих случаях полезным мероприятием
может явиться также срезка земляных
масс, активизирующих оползень. В осо-
бых условиях для поддержания ополза-
ющих масс применяют подпорные стен-
ки (рис. 17?24). Для крепления стен
здания используют контрфорсы, прав-
да, часто с временным успехом (рис.
17-25).
Существенную помощь в борьбе с
оползнями может оказать умелое ис-
пользование растительности.
В последнее время делаются удачные
попытки борьбы с оползневыми явления-
ми посредством механического крепления
склонов (сваями, железобетонными
шпонками и т. д.).
Как всегда, и в этом случае весьма большое значение приобретают ме-
роприятия охранного порядка, например запрещение уничтожения расти-
тельности, ограничения по строительству, требования к режиму водного
хозяйства и т. д.
Отметим здесь еще раз, что для правильного и эффективного назначения
того или иного противооползневого мероприятия прежде всего должна быть
с исчерпывающей ясностью вскрыта природа оползневого явления. В про-
тивном случае результат необдуманных противооползневых мероприятий
может оказаться более чем сомнительным. Целесообразность каждого из
указанных выше мероприятий определяется прежде всего степенью соответ-
ствия основной причине оползневого проявления. Так, например, при вы-
валах местного значения часто оказывается достаточным расчистить откос,
сбросить вниз камни и скальные блоки, находящиеся в неустойчивом поло-
* См., например: А. М. Д р а в н и к о в. Оползни. Типы, причины образования,
меры борьбы. Изд. Укргипросельстроя, 1956.
248
жении. В других, более серьезных случаях наиболее эффективным может
оказаться устройство улавливающих и одевающих стенок. В некоторых слу-
чаях может оказаться целесообразным анкерование угрожающих падением
каменных массивов металлическими анкерами. При частой трещиноватости
в помощь анкерам могут быть уложены проволочные сети, покрывающие
откос в угрожаемых местах (рис. 17-26).
При сильном разрушении скалистых пород наиболее эффективной мерой
борьбы с угрозой обвалов могло бы явиться соответствующее уполаживание
откоса. Уполаживание откоса также часто является решающим при разви-
тии оползней по схеме обрушения со срезом и вращением.
При сколе при просадке уполаживанием откоса также можно добиться по-
ложительных результатов, если основной причиной нарушения устойчивос-
ти откоса оказывается недостаточная прочность подстилающей толщи
грунта.
При борьбе с этим видом оползневого проявления, как следствием выно-
са фильтрационным потоком из подстилающей толщи песчаных масс, оказы-
ваются необходимыми дренажные мероприятия для перехвата подземного
потока еще до его выхода на поверхность откоса и особенно поперечные дре-
нажи. В этих же условиях часто оказывается весьма эффективным устройст-
во на выходах на откос неустойчивой песчаной толщи фильтрующих покры-
тий, выполняемых по принципу дренажных призм и «обратных фильтров».
Борьба со скольжением пачек или целых свит пластов при большой мощ-
ности оползающей толщи, часто оказывается особенно трудной.
При малой мощности толщи пород, теряющей свою устойчивость, как
всегда могут оказаться полезными водоотводные и дренажные мероприя-
тия. Принципиально наиболее целесообразным для данного случая ока-
зывается анкерование соскальзывающих пластов, например, при помощи
железобетонных шпонок в виде коротких столбов (надолб), закладываемых
в зоне поверхности скольжения и достаточно прочных для восприятия и
передачи действующего здесь сдвигающего усилия. Однако при малой
мощности толщ, теряющих свою устойчивость, в ряде случаев оказывается
гораздо более выгодным использование подпорных стен.
Наиболее радикальной мерой борьбы против оползня-сдвига является
разгрузка склона и снятие в толще фильтрационного давления подземного
потока посредством водоотводов и дренажных мероприятий.
Мероприятия этого вида часто являются необходимыми, когда нарушена
устойчивость земляных, обычно покровных масс по схеме оползания, по-
скольку оползающие массы часто оказываются в переувлажненном состоя-
нии. При некотором их осушении почти всегда удается повысить вязкость
оползающих глинистых масс, что должно если не остановить, то замедлить
оползание земляных масс.
В рассматриваемых условиях во многих случаях, в особенности при ма-
лой мощности оползающего слоя, с успехом используются подпорные стен-
249
I
Рис. 17-27. Распорные металличес-
кие арки против смещения ополза-
ющей береговой опоры:
а — разрез; б —план; в— деталь; 1 —
сваи длиной 20 л; 2 — анкерные болты
ки. Следует иметь в виду, что при достаточной прочности эти стенки должны
быть заложены на устойчивой, не затронутой оползневым движением
толще, т. е. ниже поверхности скольжения. В противном случае стенка мо-
жет оказаться смещенной с поддерживаемым ею откосом. В этом отношении
небезынтересен пример разрушения подпорной стенки Wembley (London)
высотой 10 м, возведенной в 1905 г. для
ограждения откоса выемки с четырьмя
железнодорожными путями*. Глубина
заложения стенки 5 м. Первая подвиж-
ка стенки была отмечена в 1918 г. Пос-
ле этого через некоторое время произо-
шел оползень по фронту около 200 м и
сама стенка оказалась смещенной в сто-
рону выемки на 6—7 м, почти сохранив
свое вертикальное положение. При этом
оказались сдвинутыми 3 пути.
При конструировании и расчете под-
порных стенок следует считаться с тем,
что при слабой (переувлажненной) кон-
систенции оползающих масс грунт из-
за недостаточной его прочности может
оказаться неспособным передать ополз-
невое давление стенке. При обоснова-
нии подпорной стенки на коренных по-
родах в таких случаях оползневые мас-
сы просто обтекают стенку сбоку или
переползают через нее (см. рис. 17-18).
Подобное явление достаточно часто наб-
людается на участке Сочи — Сухуми
Черноморского шоссе, в том числе у
моста на 20-м километре от Сухуми.
При использовании подпорных сте-
нок на глинистых грунтах необходимо
считаться с возможным ослаблением во времени прочности глинистых грун-
тов и длительной деформацией смещения стенок в результате ползучести
таких грунтов (см. гл. 26).
На рис. 17-27 приводится пример удачного, весьма оригинального меро-
приятия с целью обеспечения устойчивости медленно смещавшегося мосто-
вого устоя высотой 5,25 м. С указанной целью между устоями была заведена
обратная металлическая арка с пролетом 35,4 м. Эта арка должна была
работать как распорка. Для поддержания арки были забиты сваи длиной
* The Engineer, 1918, Dec.
250
около 20 м. Интересно отметить, что необходимость в использовании этого
мероприятия возникла несмотря на то, что устои уже в самого начала были
возведены на свайном фундаменте.
Борьба с оплывами в основном несвязных масс грунта в естественных
склонах оказывается наиболее продуктивной, используя принцип дрениро-
вания толщи с целью перехвата выклинивающегося на откосе подземного
потока или грунтовых вод. Во многих случаях в этих же условиях оказыва-
ются исключительно полезными фильтрующие пригружающие покрытия
из более грубозернистых материалов (по принципу обратного фильтра).
Динамическая устойчивость песков в затопленных откосах песчаных соору-
жений достигается соответствующим уплотнением песка или тяжелой при-
грузкой, например каменной наброской.
Пластическую деформацию толщи и вековое
движение в строительной практике обычно не учитывают, за исключе-
нием нескольких специальных случаев, например при оценке работы опор
арочных мостов и анкерных массивов висячих мостов. В последнем случае
не должны быть упущены из поля зрения всякого рода конструктивные ме-
роприятия, например натяжного характера, для компенсации возможного
смещения анкерных массивов.
В заключение необходимо еще раз подчеркнуть решающее значение в
борьбе с оползнями приведения в порядок поверхностного стока атмосфер-
ных вод по оползневому склону и, нередко, перехвата подземного потока
в целях снижения уровня грунтовых вод или даже их напора в оползневом
склоне. Тем самым достигается повышение его устойчивости за счет снижения
фильтрационного давления и некоторого осушения оползающих масс.
ГЛАВА 18
СЕЙСМИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ
Наиболее яркой формой проявления современной тектоники являются
сейсмические явления *. Каждый год на всем земном шаре происходит до
100 тыс. землетрясений. Большинство этих землетрясений едва ощутимо и
фиксируется лишь чувствительными приборами — сейсмографами. Лишь
около 100 землетрясений в год являются разрушительными.
По своему распределению землетрясения определенным образом связаны
с областями складчатых горных систем, особенно молодых, относимых к
Альпийской горнообразовательной фазе (рис. 18-1).
В некоторых случаях разрушительные землетрясения находят свое прояв-
ление в определенных районах с большими промежутками во времени (до
* От греческого seismos — землетрясение.
251
/ — сейсмические зоны; 2— зоны сильнейших землетрясений
200 и более лет). В других случаях они следуют друг за другом с относи-
тельно короткими перерывами (землетрясение в г, Ташкенте в 1965 г.).
Землетрясения вызываются более или менее сильными смещениями тех
или иных участков твердой земной оболочки. Смещение идет отдельными
кратковременными импульсами, что и приводит к затухающим колебатель-
ным движениям, столь характерным для землетрясений.
При землетрясениях пораженные ими участки земной коры в своем дви-
жении лишь отражают смещения земных масс, происходящие в более глу-
боких недрах Земли.
Рис. 18-2. Сейсмограмма землетрясения в Оби-гарме (Тад-
жикистан, 1947 г.)
В большинстве случаев фокусы землетрясений (гипоцентры) лежат на
относительно небольших глубинах — порядка нескольких десятков кило-
метров (20—50 км).
Наблюдение за сейсмическими явлениями ведется на сейсмических стан-
циях посредством специальных приборов — сейсмографов. Полученная та-
ким образом диаграмма, отражающая динамический режим данного земле-
трясения, носит название сейсмограммы (рис. 18-2). Сейсмический импульс
и вызываемое им колебательное движение по своей длительности нередко
измеряются немногими секундами или, в крайнем случае, минутами. Вели-
кое Японское землетрясение 1923 г., вызвавшее гибель более 500 тыс. чело-
век, продолжалось всего 1 мин 10 сек. Алма-Атинское разрушительное зем-
летрясение 1887 г. продолжалось около 5 мин.
В большинстве случаев разрушительные землетрясения характеризуются
рядом следующих друг за другом толчков. Землетрясение 1923 г. на Кам-
чатке выразилось 195 толчками. Японское землетрясение 1930 г. продолжа-
лось отдельными толчками в течение 10 мин и ему предшествовало 1500
толчков в течение трех недель.
Однако наиболее опасное действие землетрясения связывается обычно
с первым толчком и следующим за ним сейсмическим колебанием в течение
первых 20—40 сек.
253
При землетрясениях в горных районах нередко происходят грандиозные
обвалы и оползни, горные реки засыпаются на большую высоту сместивши-
мися земляными массами и продуктами обрушения. Возникают глубокие
озера, угрожающие прорывом. Под массами обрушившейся земли гибнут
селения, здания в городах разрушаются, превращаясь в груды щебня и
мусора, возникают пожары. Сильные землетрясения неизбежно сопровож-
даются многочисленными человеческими жертвами. Текущее столетие и в
особенности последние десятилетия харак-
теризуются повышенной сейсмичностью. В
шестидесятых годах отмечены сильнейшие
землетрясения в Агадире (Марокко), в Чи-
ли, на Аляске и в Иране, повлекшие за со-
бой громадные разрушения.
Рис. 18-3. Характер сейсмичес-
кого разрушения железной до-
роги в результате оползня (Япо-
ния, 1923 г.)
Рис. 18-4. Типичный случай разрушения моста
с просадкой и наклоном опоры (Япония,
1923 г.)
Исключительное по силе катастрофическое землетрясение произошло
4 декабря 1958 г. в Монгольской Народной Республике и смежных райо-
нах СССР и Китая *. Это землетрясение сопровождалось огромными разру-
шениями. Один из горных пиков оказался расколотым пополам. Часть горы
высотой до 400 м обрушилась в ущелье. Горы были разбиты многочисленны-
ми трещинами. Громадные глыбы, отчленившиеся от горных массивов, по-
висли над долинами в неустойчивом положении. Образовалась сбросовая впа-
дина длиной до 18 км и шириной до 800 м. На поверхности земли появились
трещины шириной до 20 м. Главная из них протянулась на 250 км. Сила это-
го землетрясения была близка к 11 баллам.
Землетрясение в Монголии и Прибайкалье. «Советская Россия», 1958, 5 февраля.
254
Серьезнейшим повреждениям в сейсмических районах подвергаются до-
роги и связанные с ними сооружения, в первую очередь мосты.
Особенно в опасном положении в горных районах оказываются дороги
на косогорных участках, протрассированные на делювиальных отложениях,
в связи с активизацией при землетрясениях оползневых явлений. Характер
подобного разрушения иллюстрируется * рис. 18-3.
Вместе с тем были отмечены многие случаи нарушения устойчивости мос-
тов и подходных к мостам дорожных насыпей. Особенно поврежденными
оказывались эти сооружения при их обосновании на аллювиальных отложе-
ниях, представленных в Японии в основном песками различной крупности.
Повреждение насыпей вызывалось в основном их просадкой величиной до
1,8 ж и более (визуальные наблюдения) и образованием разрывов и трещин
и выражалось в обвалах откосов. В выемках также происходило обрушение
откосов. Повреждение же мостов, а во многих случаях их полное разруше-
ние было вызвано в основном потерей устойчивости и деформацией опор. Во
всех случаях при устройстве опор на рыхлых аллювиальных отложениях
отмечалась их просадка, достигавшая в отдельных случаях 100 см и более.
Береговые опоры (устои), воспринимавшие давление земли со стороны
подходных насыпей, помимо просадки испытывали во всех отмеченных слу-
чаях наклон и смещение, которое во многих случаях превосходило 55 см.
Важно отметить, что такая же участь постигла опоры со свайными фун-
даментами, причем в отдельных случаях отмечалась просадка свай на глу-
бину до 1,2 м. Один из случаев разрушения моста в связи с просадкой и на-
клоном промежуточной опоры иллюстрируется рис. 18-4.
Можно высказать определенную уверенность, что причина отмеченных
выше явлений заключалась в динамическом нарушении устойчивости водо-
насыщенных песков в основании сооружения (см. гл. 27).
Принцип учета сейсмичности при проектировании сооружений. Неко-
торые районы нашей страны характеризуются высокой сейсмичностью.
К таким районам должна быть причислена в первую очередь зона Дальнего
Востока. Второй по степени сейсмичности является Средняя Азия, за ней
следует зона Допет-Дага (опустошительное землетрясение в г. Ашхабаде в
1948 г.) и далее Кавказ, Прибайкалье, Крым, Карпаты и т. д., где землетря-
сения с интенсивностью свыше 8 баллов не отмечены. Вообще же
сейсмические районы с сейсмичностью 7—9 баллов занимают на территории
СССР площадь в 1,5 млн. км2, что превышает V5 ее часть.
Напомним, что географический центр землетрясения, совпадающий с
точкой пересечения земного радиуса, проходящего через гипоцентр, с зем-
ной поверхностью, называют эпицентром.
* Настоящий и последующий рисунки, а также приводимые ниже данные по
Великому Японскому землетрясению 1923 г. почерпнуты из «Официального отчета
Японского сейсмологического комитета о последствиях землетрясения 1923 г.»
(на японском языке).
255
В эпицентре, где направление распространения волны совпадает с нор-
малью к поверхности, касательная к земной поверхности, составляющая
сейсмической волны, будет равна нулю; здесь сооружение будет испытывать
только сотрясательное движение (вверх и вниз). По мере удаления от эпи-
центра угол выхода волны становится все острей; соответственным образом
возрастает относительное значение касательной составляющей и сооружение
будет воспринимать горизонтальные толчки большей или меньшей силы.
В этих условиях грунт в основании сооружения, а также само сооруже-
ние переходит в колебательное движение с определенным ускорением. При
гармоническом колебании, характеризующемся синусоидой (рис. 18-5),
максимальное ускорение амакс определяется уравнением
а — — А
^макс — ^9
(18-1)
Период Т
Рис. 18-5. Амплитуда и пе-
риод сейсмической волны
где А — амплитуда;
Т — период сейсмического колебания.
В скальных грунтах амплитуда обычно имеет величину порядка 2—5 мм.
Скорость распространения сейсмических волн в толще рыхлых отложений
значительно снижается. Это обстоятельство, в
связи с погашением энергии колебания, приво-
дит к увеличению в таких грунтах его амплиту-
ды, подобно тому как морская волна дает всплеск
при встрече со стенкой мола. Амплитуда ко-
лебаний в этих условиях нередко измеряется
уже многими сантиметрами.
Период сейсмической волны Т обычно сос-
тавляет 1—2 сек. Во время Японского земле-
трясения 1923 г., когда сила землетрясения
оценивалась 9—10 баллами, период доходил от
1,33 до 4 сек, а амплитуда сейсмической волны
достигала 225 мм. Ускорение сейсмического колебания изменялось при
этом в пределах от 1000 до 2500 мм/сек2.
Сооружение при землетрясении может оказаться поврежденным в ре-
зультате:
а) нарушения устойчивости толщи основания сооружений, в связи
с уменьшением прочности слагающих ее пород;
б) воздействия на само сооружение сейсмических инерционных сил;
в) проявления резонанса для высоких сооружений при совпадении перио-
да колебательного движения сооружения и сейсмической волны.
Нарушение устойчивости основания в условиях динамического на него
воздействия приобретает особое значение при обосновании сооружения на
толще водонасыщенных песков (см. гл. 27).
Для оценки степени сейсмической устойчивости сооружений учет инер-
ционных сил производится следующим образом. Прежде всего устанавли-
256
вается значение сейсмического коэффициента, или коэффициента сотрясе-
ния, кс, представляющего собой величину отношения значения амакс к
ускорению силы тяжести g. Следовательно, '
. (18-2)
Для отчетливого представления явления полезно определить величину
угла 8 по выражению
8 = arc tg яс. (18-3)
Как известно, всякая инерционная сила, например S, связывается с
массой тела т и воздействующим на него ускорением а зависимостью
S=am. (18-4)
Вес Р некоторого тела с той же массой т при ускорении силы тяжести
g определяется из условия
P = mg. (18-5)
Из последней зависимости найдем масс;у тела т и подставим ее значение
в выражение (18-4). Тогда мы получим
(18-6)
Вместе с тем, считаясь с необходимостью учитывать в расчетах возможно
наибольшее значение сейсмического ускорения амакс, мы можем для опре-
деления сейсмической инерционной силы Sc переписать зависимость (18-6) в
соответствии с выражением (18-2) в следующем виде:
Sc=±/ccP. (18-7)
Двойной знак (±) в последнем выражении отражает различную направо
ценность колебательного движения.
В расчетах учитывается горизонтальная составляющая максимального
сейсмического ускорения. В силу этого сейсмическая инерционная сила
5С рассматривается также как горизонтально направленная.
При расчете к каждому элементу сооружения весом Р прикладывается
дополнительно к горизонтальным инерционная сила Sc, определяемая по
выражению (18-7), с теми или иными поправками, отражающими динамичес-
кие свойства сооружений. В таком виде формула (18-7) приобретает вид
[8с = аксР. (18-8)
В последней формуле а — коэффициент, характеризующий динамичес-
кие свойства сооружения, и для различных элементов мостового сооружения
согласно Нормам и правилам строительства в сейсмических районах
(СН 8—57) лежит в пределах от 1 до 5.
9 Заказ № 549 257
Для высоких опорАиостов и подпорных стен значение коэффициента а
согласно п. 174 указанных Норм принимается: у верха сооружений
а = 2, по обрезу фундамента а=1.
Действие силы Sc принимается статическим, и весь дальнейший расчет
ведется по правилам статики.
При землетрясении давление грунта на подпорные стенки в значитель-
ной степени увеличивается, что также должно учитываться при проектиро-
вании.
Таблица 19
Величина расчетных значений сейсмического ускорения
Сила землетря- Расчетное ускорение, Сила землетрясения, Расчетное ускорение,
сения, баллов по мм/сек? баллов по шкале мм/сек^
шкале ОСТ 4537 ОСТ 4537
1 До 2,5 7 100—250
2 2,5—5 8 250—500
3 5—10 9 500—1000
4 10—25 10 1000—2500
5 25—50 11 2500—5000
6 50—100 12 Более 5000
В порядке первого приближения вопрос о возможном сейсмическом
ускорении для того или иного района может быть решен на основе сейсми-
ческих карт (рис. 18-6). Для многих районов СССР существуют более де-
тальные карты того же характера (рис. 18-7). На этих картах сейсмичность
того или иного района оценивается по 12-балльной системе по шкале ГОСТ
6249—52, применительно к средним и обычным геологическим условиям и
неводонасыщенным грунтам, Сила землетрясения оценивается, по пред-
ложению сотрудника Геофизического института Академии наук СССР
С. В. Медведева, по величине относительного упругого отклонения сфе-
рического маятника сейсмометра. По этой шкале землетрясениям силой
7 и 9 баллов соответствуют смещения 2,1—4 мм и 8,1—16 мм. Однако этц
шкала для инженерных целей оказывается мало удобной в связи с отсутст-
вием в ней расчетных показателей, чем и объясняется ее слабое внедрение
в инженерно-геологическую практику. Переход от баллов этой шкалы к
значениям сейсмического ускорения как расчетным показателям может
производиться согласно ОСТ 4537 по табл. 19. В настоящее время данные
этой таблицы пересматриваются институтом «Физики Земли» АН СССР.
Имеются указания, что величины ускорений, отвечающие той или иной
балльности землетрясения, должны быть резко повышены—от 4 до 5 раз *.
* С. В. Медведев. Инженерная сейсмология. Госстройиздат, 1962, стр. 161.
258
CD
*
Рис. 18-6. Схема сейсмического по балльности районирования СССР (по Г. Н. Горшкову)
Как показывает изучение последствий наиболее значительных землетря-
сений, сила землетрясений изменяется в зависимости от рельефа местности
и от геологической структуры участка, т. е. от свойств слагающих его по-
род, условий их залегания и водного режима. При этом особой опасности
Рис. 18-7. Карта сейсмического районирования Средней Азии
подвергаются сооружения, возведенные на водонасыщенных отложениях.
В зависимости от состава грунта балльность повышается в этом случае на
несколько единиц. Особенно опасными оказываются рыхлые затопленные
отложения из мелких и тонкозернистых песков (см. гл. 27).
Большую опасность при землетрясениях представляют всякого рода
тектонические линии (разломов, смещения и т. д.). контакты между скалис-
тыми и рыхлыми породами, а также склоны, сложенные выветрелыми поро-
дами или покрытые чехлом малоустойчивых пород. В этих условиях при
землетрясениях всегда возможны обвалы и мощные оползни.
260
-MMfCCKZ
500
Рис. 18-8. Акселерограмма, непосредствен-
но оценивающая интенсивность сейсмиче-
ского колебания по его ускорению
Наиболее ценные данные для характеристики степени сейсмичности того
или иного участка могут дать длительные наблюдения при помощи специ-
альных сейсмографов, непосредственно регистрирующих сейсмические ко-
лебания, и акселерометров, измеряющих сейсмическое ускорение. Общий
характер акселерограммы, снимаемой при посредстве этого прибора, пока-
зан на рис. 18-8. Более ценными являются акселерограммы, так как они дают
непосредственный ответ на наибо-
лее важный для строителей воп-
рос о величине сейсмического ус-
корения. Все эти материалы в ряде
случаев могут быть получены на
местных сейсмических станциях.
Однако очень часто мы не рас-
полагаем этими данными. При
подобных условиях оценка пло-
щадки в сейсмическом отноше-
нии может быть сделана внима-
тельным исследователем путем со-
ответствующих непосредственных
наблюдений и сбора необходимых
сведений. В этом смысле могут
быть полезны следующие указа-
ния.
По интенсивности своего про-
явления землетрясения характе-
ризуются следующим образом.
Землетрясение в 1 балл — не-
заметное.
Землетрясение в 2 балла —
очень слабое.
Землетрясение в 3 балла — слабое', ощущается как сотрясение от быстро
проследовавшего транспорта.
Землетрясение в 4 балла — умеренное', происходит легкое колебание
предметов.
Землетрясение в 5 баллов — довольно сильное; характеризуется опреде-
ленно выраженным сотрясением зданий, в оконных стеклах появляются
трещины.
Землетрясение в 6 баллов — сильное; предметы сдвигаются с места и оп-
рокидываются; штукатурка на некоторых домах дает тонкие трещины
И кое-где откалывается; в зданиях менее прочной постройки повреждения
выражаются в более сильной степени, но остаются неопасными; в горных
районах наблюдаются единичные случаи оползней и осыпей.
Землетрясение в 7 баллов — очень сильное; имеет место значительное
261
повреждение предметов квартирной обстановки; на водотоках и водоемах
развивается волнение, вода мутнеет; имеют место оползни песчаных и га-
лечных берегов, изменение уровня воды в колодцах, умеренные повреждения
в домах капитальной постройки; легкие трещины в степах; откалывание
штукатурки, выпадение кирпичей, повреждение дымовых труб, а также
стен у фахверковых построек; на крутых откосах насыпей дорог наблюда-
ются редкие оползни, в отдельных случаях — поперечные трещины на до-
рогах. Возможны горные обвалы.
Землетрясение в 8 баллов — разрушительное] наблюдается значитель-
ное раскачивание деревьев; статуи, памятники и т. д. поворачиваются на
постаментах или опрокидьь
ваются; дома капитальной
постройки терпят сильные
повреждения, стены частично
обваливаются (рис. 18-9);
большинство дымовых труб
падает; легкие трещины на
крутых склонах и на сырой
почве; небольшие оползни на
крутых откосах выемок ’и
насыпей дорог. Большие осы-
пи, оползни и горные обвалы.
Возникают новые или пропа-
дают существующие источ -
ники воды. Часто меняются
дебит источников и уровень
воды в колодцах.
Землетрясение в 9 бал-
лов — опустошительное] наб-
Рис. 18-9. Обвал перекрытий и стен в зда-
нии музыкального училища г. Ашхабада в
результате землетрясения 6 октября 1948 г.
(по материалам С. В. Медведева)
людается сильное поврежде-
ние каменных зданий капитальной постройки; некоторые здания совер-
шенно обваливаются; большая часть высоких труб и башен разрушается;
штукатурка на деревянных домах дает трещины и щели; старые деревян-
ные дома несколько кривятся. В некоторых случаях наблюдаются по-
вреждения насыпей дорог, в отдельных — искривление железнодорожных
рельсов. На дорогах появляется большое количество трещин. Часто возни-
кают новые или пропадают существующие источники воды.
Землетрясение в 10 баллов — уничтожающее] большинство каменных
и фахверковых построек разрушается вместе с фундаментами; сильное по-
вреждение даже хорошо построенных деревянных домов и мостов, более или
менее значительное повреждение насыпей и плотин; трубопроводы, заложен-
ные в грунте (газовые, водопроводные и канализационные), разрываются
или закупориваются; рыхлая и особенно влажная почва дает трещины ши-
262
риной до нескольких дециметров; наблюдаются оползни, и обвалы на ска-
листых склонах, на берегах рек и на морском побережье; сильный волно-
прибой в водоемах; частое изменение уровня воды в колодцах; выплески-
вание на берег воды из рек, каналов, озер.
Землетрясение в 11 баллов — катастрофическое', от каменных построек
всех родов почти ничего не остается; прочные деревянные и гибкие плетневые
постройки могут уцелеть лишь частично, даже большие мосты солидной
постройки повреждаются вследствие разрушения каменных опор и искрив-
ления металлических ферм; полное разрушение, часто на значительном про-
тяжении, насыпей и плотин; сильное искривление и выпячивание железно-
дорожных рельсов; трубопроводы под землей приходят в негодность; на по-
верхности земли образуются широкие трещины, особенно при рыхлых и
сырых грунтах; многочисленные оползни и обвалы.
Землетрясение в 12 баллов — сильная катастрофа', все сооружения
разрушаются; изменения на поверхности земли достигают громадных раз-
меров; сбросовые явления со значительной величиной смещения, горизон-
тальные сдвиги и разрывы, многочисленные обвалы скал, оползни и т. д.
Величина сейсмического коэффициента кс согласно п. 21 СН 8—57 для
районов с различной балльностью принимается в следующем виде: для
землетрясения силой 7 баллов — 1/40; силой 8 баллов — х/20 и силой 9 баллов
— 1/10. Эти показатели в ближайшее время будут несомненно повышены.
Противосейсмические мероприятия. В целях повышения устойчивости
и прочности сооружений, в том числе дорожных и мостовых, при возведении
их в сейсмических районах они должны осуществляться в соответствии
с требованиями антисейсмического строительства (см. СН 8—57). Согласно
этим требованиям ограничивается возможность трассирования дорог вбли-
зи от обрывов и зонах развития обвалов, осыпей и т. п., а также по неска-
листым косогорам. В сейсмических районах высокие насыпи и глубокие
выемки необходимо проектировать с более пологими откосами. Допустимые
высота насыпей и глубина выемок при этом соответствующим образом ог-
раничиваются.
При выборе створа мостового перехода необходимо избегать мест с
пониженной устойчивостью береговых склонов.
Выдвигается ряд ограничений по конструкции пролетного строения
и опорных частей. Особые требования предъявляются к основаниям опор
арочных мостов. Как правило, выдвигаются требования устройства мосто-
вых опор на коренных породах и ряд ограничений в конструкции самих
опор. В свете приведенных выше данных особенно повышенные требования
должны предъявляться к опорам мостов, возводимых на песчаных отложе-
ниях.
Согласно японским нормам при проектировании новых мостов в этих ус-
ловиях предлагается принимать в расчетах коэффициент сотрясения /сс =
=V3, что отвечает горизонтальной составляющей сейсмического ускорения
263
аг = 3270 мм/сек,2. Одновременно в этом случае предписывается учитывать
и вертикальную составляющую сейсмического ускорения в размере V6 от ус-
корения силы тяжести, т. е. ав=1640 мм/сек2. Здесь же приводится ряд ука-
заний, связанных с проектированием тоннелей в сейсмических районах.
Эти рекомендации и предложения касаются вопроса о необходимости уве-
личения расчетных нагрузок при проектировании обделок тоннелей и конст-
руировании их портальных и припортальных участков.
В указанных нормах в зависимости от балльности района приводится так-
же ряд ограничений по материалу и высоте подпорных стен и устоев, а
также даются указания по их расчету и проектированию.
[РАЗДЕЛ ВТОРОЙ
ОСНОВЫ МЕХАНИКИ ГРУНТОВ
ВВЕДЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ МЕХАНИКИ ГРУНТОВ
В курсе «Механика грунтов» рассматриваются вопросы количественной
оценки степени устойчивости и прочности, а также деформации грунтов
в основании и в составе сооружений под воздействием приложенных
к ним сил.
Нарушение устойчивости основания сооружения при чрезмерной для
данного случая нагрузке на грунт нередко сопровождается резкой просад-
кой сооружения и его смещением в условиях часто наблюдаемого явления
«выпора» грунта. Такие явления носят аварийный характер и нередко ве-
дут к катастрофическим последствиям. В этом отношении показателен при-
мер полного обрушения моста в штате Мичиган (США), происшедшего в
1916 г. Устои моста были обоснованы на сваях длиной 15 м, прорезавших
толщу илисто-торфянистых грунтов мощностью 8—10 м и опущенных в
плотный подстилающий грунт. Высокая подходная насыпь, как это часто
бывает, возводилась после завершения работ по строительству моста непос-
редственно на поверхности грунта. Несущая способность илисто-торфя-
нистой толщи оказалась недостаточной, чтобы выдержать давление от насы-
пи, и произошел выпор грунта в сторону устоя, который оказался вначале
сдвинутым, а в дальнейшем опрокинутым.
Строительная практика указывает на исключительную трудность восста-
новления и усиления, сооружений потерявших устойчивость. Поэтому в
строительной практике возникло совершенно жесткое требование о полном
и безоговорочном обеспечении во всех случаях устойчивости грунтов как
в основании, так и в составе сооружения, например в высоких насыпях.
Вместе с тем всякое сооружение испытывает деформации как следствие
деформации связанных с ним грунтов. В одних случаях эти деформации
лишь ухудшают нормальные условия эксплуатации сооружений, в других —
носят более опасный характер, угрожая сооружению в целом. Такие де-
формации бывают обычно связаны с более или менее неравномерной осадкой
опор или самого сооружения. Осадка сооружения в свою очередь может
явиться следствием:
а) уплотнения грунтов основания под весом сооружения;
б) пластической необратимой деформации грунтов в условиях локального
нарушения их прочности под воздействием приложенных к ним сил.
265
Осадка в связи с уплотнением грунтов в основании сооружения
под его весом сама по себе является неизбежной. Весь вопрос в величине
этой осадки и ее неравномерности, а также допустимости этих величин при-
менительно к сооружению заданного типа и назначения.
Деформации, связанные с локальным нарушениемпроч-
ности грунтовв основании сооружения, нередко находят свое вы-
ражение при обеспеченной общей устойчивости основания в локальном от-
давливании грунта из-под подошвы сооружения или его фундамента и обыч-
но сопровождаются длительными и весьма значительными и, как правило,
неравномерными осадками-просадками сооружения. В качестве примера
можно, привести случай деформаций устоев моста вблизи м. Книн, в Далма-
ции. Этот мост отверстием 25 м был построен на толще слабых илисто-тор-
фяных грунтов. Допускаемое давление на грунт было принято предельно
низким — 1 кПсм2. Тем не менее и это давление оказалось чрезмерным для
несущей способности основания моста и грунт из-под устоев моста начал
отдавливаться. Процесс осадки устоев продолжался непрерывно в течение
ряда лет. Общая осадка устоев моста за 27 лет достигла рекордной вели-
чины — 540 и 560 см, т. е. более 5 м.
Этот и многие иные, хотя и менее показательные, примеры подтвержда-
ют необходимость ограничивать пластические деформации грунта в основа-
нии сооружения жесткими рамками.
В последние годы к сооружениям, возводимым на глинистых грунтах,
и, в частности, к мостовым береговым опорам предъявляются дополнитель-
ные требования. Эти требования связаны с необходимостью обеспечить в
условиях сниженных коэффициентов запаса длительную прочность и устой-
чивость сооружений, а также ограничить предельную величину их возмож-
ной многолетней деформации в связи с ползучестью глинистых грунтов.
Подобные же вопросы могут возникнуть при возведении земляных сооруже-
ний (насыпей, дамб, откосов, глубоких выемок и т. д.), а также при воз-
ведении сооружений в толще горных пород и грунтов (всякого рода подзем-
ных сооружений и тоннелей). Отсюда возникает необходимость проекти-
рования сооружений и их оснований исходя из условий удовлетворения
требования следующих предельных состояний'.
1. Обязательное обеспечение общей устойчивости основания сооружения
на весь период его эксплуатации.
2. Жесткое ограничение возможного в этих условиях развития в
основании сооружения локального нарушения прочности грунтов.
3. Ограничение в допустимых пределах в зависимости от назначения и
типа сооружения его осадки и общей деформации как следствия уплотне-
ния грунтов в основании сооружения и проявления процесса их ползучести.
Все эти вопросы изучаются в курсе «Механика грунтов» как теорети-
ческой и прикладной дисциплины.
^jCTb VI
ВОПРОСЫ ПРОЧНОСТИ И ОБЩЕЙ УСТОЙЧИВОСТИ
ОСНОВАНИЯ СООРУЖЕНИЙ
ГЛАВА 19.
ОБЩЕЕ ПОНЯТИЕ О НАПРЯЖЕННОМ СОСТОЯНИИ ГРУНТОВОЙ
ТОЛЩИ И О ЕГО ЗНАЧЕНИИ В ОЦЕНКЕ НЕСУЩЕЙ
СПОСОБНОСТИ ОСНОВАНИЯ
Роль нормальных и касательных напряжений. При приложении к по-
верхности грунтового массива нагрузки в нем возникает напряженное сос-
тояние. Такое состояние возникает, в частности, в основании мостовой опо-
ры, передающей грунту через свой фундамент приходящуюся на опору до-
лю веса пролетного строения и опоры в целом (постоянная нагрузка), а
также вес полезной нагрузки, т. е. вес следующего по мосту транспорта
Рис. 19-1. Напряженное состояние и деформация грунта в точке А в основании
сооружения
(временная нагрузка). Допустим, что в результате суммарного воздействия
на фундамент опоры постоянной и временной нагрузок поверхность
грунтового массива оказывается загруженной в условиях плоской задачи
по некоторой полосе (рис. 19-1) шириной В=2Ь. Величина и характер заг-
рузки при этом никак не ограничиваются.
Расположим центр координатной системы О в центре загруженной по-
267
лосы в уровне поверхности грунтового массива (рис. 19-1, а). Напра-
вим ось +Z по вертикали вниз, а ось -|-Х по горизонтали вправо от центра
системы. Выделим в точке А плоскости основания загруженной полосы
(в условиях плоской задачи) элементарную площадку в виде квадрата
со сторонами аа, ас и сс, расположенными соответственно по осям X и Z.
Представим себе, что силовое воздействие от нагрузки р0 по полосе В =2Ь
распространяется в толще грунта в виде некоторых силовых лучей. Встре-
чая на своем пути стороны (грани) выделенного элемента, каждый из со-
прикасающихся с ним силовых лучей оказывает на них некоторое воздей-
ствие в виде полных соответственно направленных напряжений р' и р".
В общем случае полные напряжения р' и р" будут воздействовать на сто-
роны выделенного элемента под некоторым углом. Разложим силы р' и р"
на направления, нормальные и касательные к сторонам элемента. Таким
образом, наш элемент окажется под воздействием системы активных и ре-
активных сжимающих нормальных напряжений рг и и касательных, или,
как часто мы их будем называть, сдвигающих напряжений т (рис. 19-1, б).
Направленность активных касательных напряжений т определяется направ-
лением полных напряжений pz и рх относительно сторон элементарной пло-
щадки.
Совместно с обратно направленными по противоположным параллель-
ным граням реактивными напряжениями касательные напряжения образу-
ют две взаимно уравновешивающие пары сил.
Системы нормальных напряжений pz и рх со всех сторон обжимают наш
элемент, вызывая уплотнение грунта и осадку сооружения. С этой точки
зрения роль нормальных напряжений должна оцениваться как неблагопри-
ятная. Вместе с тем система сдвигающих напряжений перекашивает выделен-
ный нами элемент.
Представим себе, что выделенный нами объем включает в себя несколь-
ко зерен, слагающих породу (рис. 19-1, в). Примем условно, что эти зерна —
частицы — имеют шаровую форму. В условиях плоской задачи мы будем
иметь в нашем элементе несколько кругов. Зерна тесно соприкасаются со
сторонами элемента и реагируют на малейшее изменение его формы. Перекос
выделенного нами элемента при недостаточной прочности грунта со-
провождается взаимным перемещением в виде сдвига включенных в него зе-
рен (рис. 19-1, г). Это перемещение зерен происходит по некоторым законо-
мерным траекториям, направленным в общем случае во внешние стороны от
загруженной полосы и вверх, по направлению к свободной, поверхности
грунтового массива.
При значительном развитии описываемого процесса мы можем столк-
нуться уже с выдав л иван ием, или выпором, грунта из-под подошвы фунда-
мента, что может привести к полному нарушению устойчивости основания
сооружения. Таким образом, мы можем отметить, что нарушение устойчи-
вости основания сооружений происходит под воздействием сдвигающих (ка-
268
сательных) напряжений. При этом условии возникающие под нагрузкой
в основании сооружения касательные напряжения должны рассматривать-
ся как неблагоприятный фактор («враг»), с которым при проектировании
сооружения необходимо во всех случаях считаться.
Совсем в ином направлении воздействуют на грунт в рассматриваемом
плане сжимающие нормальные напряжения, в нашем случае pz и рх. Под
их давлением выделенный элемент грунта уплотняется, частицы более ин-
тенсивно прижимаются друг к другу, способствуя повышению действующих
между ними сил трения. В конечном итоге прочность грунта, его способ-
ность оказывать сопротивление сдвигающим напряжениям увеличивается,
что в общем случае ведет к повышению несущей способности и устойчивости
основания. Очевидно, что с рассматриваемой точки зрения нормальные
напряжения следует рассматривать как благоприятный фактор (наши
«друзья»). К сожалению, благотворное влияние на степень устойчивости
основания нормальных напряжений, возникающих в грунтовой толще от
приложения к ней внешней нагрузки, находит свое выражение не всегда
в полной мере и далеко не во всех случаях. Условия ограничения роли
нормальных напряжений в данном плане рассматриваются далее в гл.
24 и 25.
Фазы деформации основания сооружения. К грунту в подошве фундамен-
та сооружения может быть приложена и меньшая и более значительная на-
грузка (р0, кПсм?). Естественно, что с уменьшением допускаемой нагрузки
на грунт (рдоп) при прочих равных условиях необходимо увеличивать раз-
меры опорной площади фундамента или переходить к иным типам фунда-
мента с более глубоким их заложением или с использованием свай, опуск-
ных колодцев и кессонов. При этом условии удлиняются сроки выполнения
работ, обычно весьма трудоемких, особенно в зимнее время. Тем самым воз-
растает стоимость фундамента, а следовательно, и сооружения. При этом,
естественно, наиболее выгодно назначать минимальные размеры фундамен-
та, допустимые с точки зрения обеспечения необходимой устойчивости и
прочности основания сооружения, а также величины предстоящих осадок
его.
Как показывают анализ вопроса и практика строительства, роль каса-
тельного т и нормального рп напряжений в толще основания сооружения
не остается во всех случаях равнозначной и в зависимости от свойств грун-
та, а также от величины приложенной к грунту нагрузки р0 преобладающее
влияние приобретает то нормальное, то сдвигающее напряжение.
Обратимся к рис. 19-2 и 19-3. При приложении к грунту нагрузок, на-
пример, pi в его толще практически мгновенно возникает сложное напря-
женное состояние. В результате воздействия на грунт нормального напря-
жения рп находит свое выражение процесс уплотнения грунта, приводящий
к осадке сооружения (см. I фазу на рис. 19-2 и 19-3). Этот процесс, протека-
ющий во времени с различной интенсивностью, во всех случаях носит явно
269'
затухающий характер. Увеличение нагрузки на грунт до значения, напри-
мер, р2 приводит в тех же условиях к дальнейшему возрастанию осадок со-
оружения, однако уже с меньшей интенсивностью нарастания в связи с
прогрессирующей плотностью грунта. В этом процессе явно превалирует
значение нормальных напряжений рп. Влияние сдвигающих напряжений
т здесь едва ощущается.
Рис. 19-2. Три основные фазы работы и деформации
основания сооружения:
I фаза — уплотнение (зона влияния РпУ, Н фаза — предельное
равновесие (промежуточная зона влияния рп и т); III фаза —- нару-
шение общей устойчивости основания (зона влияния т)
I фаза П фаза Ш фаза
Рис. 19-3. Формы деформации основания сооружения
Рассматриваемые условия нагружения и деформации основания отвеча-
ют I фазе работы грунта в основании сооружения — его уплотнению под на-
грузкой от сооружения в условиях обеспеченной здесь прочности грунта и
устойчивости основания.
При новом увеличении нагрузки (р3 на рис. 19-2) начинается некоторое
прогрессирующее нарастание осадки сооружения, связанное, помимо даль-
нейшего уплотнения грунта, также с некоторым отдавливанием грунта из-
270
под подошвы фундамента в его краевых зонах (пластические области),
где находит свое выражение локальное нарушение прочности грунта (II
фаза на рис. 19-2 и 19-3). Здесь мы сталкиваемся с одновременным проявлени-
ем влияния напряжений рп и т в ус-
ловиях начинающегося и все прог-
рессирующего при возрастании на-
грузки разрушения грунта. Это
явление, связанное с деформацией
сдвига грунта, допустимо далеко
не во всех случаях, в крайнем слу-
чае в жестко ограниченных преде-
лах (см. гл. 22). В самом деле, осад-
ка сооружения в этой фазе работы
грунта часто оказывается весьма
значительной по величине, никак
не поддающейся учету при проек-
тировании сооружения и, главное,
почти всегда резко неравномерной
(рис. 19-4).
Нередко в результате проявле-
ния ползучести глинистых грун-
тов в основании такая осадка соо-
ружений приобретает долго неза-
тухающий характер, что в крайних
случаях может выразиться в нару-
шении общей устойчивости соору-
жения.
Нагрузка, отвечающая началь-
ной стадии развития описанного
выше явления, носит название
предельной (p3=pnpsil) и условия
работы грунта в этой обстановке
могут быть отнесены уже ко II фа-
зе, которую целесообразно назы-
вать фазой нарушения прочности
грунта, или фазой локальных сдви-
гов. С дальнейшим увеличением
Рис. 19-4. Форма деформации сооруже-
ния в условиях фазы локального нару-
шения прочности грунта (II фаза). Пизан-
ская башня, Италия. Начало постройки
1174 г.
нагрузки рпр указанное явление
прогрессирует, и, наконец, при достижении ею своего значения р5 — ркр
наступает обычно резкое и внезапное полное нарушение общей устойчивос-
ти основания, связанное с выпором грунта. Такую нагрузку было бы це-
лесообразно называть критической. Этот процесс отвечает /// фазе работы
грунта в основании сооружения, которую, по-видимому, было бы правиль-
271
но называть фазой нарушения общей устойчивости основания (фаза обще-
го сдвига и выпора грунта — см. рис. 19-2 и 19-3).
Очевидно, что в III фазе приобретают наиболее яркое преобладающее
влияние сдвигающие напряжения -с. Этот процесс, связанный с повышением
принятой нагрузки на грунт р0ДО ркр как критической для данного случая,
обычно приобретает катастрофический характер для сооружения и в силу
этого ни при каких обстоятельствах не может быть допущен (рис. 19-5).
Рис. 19-5. Авария Трансконского элеватора (Канада) в
фазе полной потери устойчивости основания, связанной
с выпором грунта (III фаза)
Здесь следует отметить, что с увеличением глубины заложения соору-
жения возможность внешнего выпора грунта затрудняется все в большей
степени. При фундаментах глубокого заложения, с чем мы часто встречаем-
ся при устройстве речных мостовых опор (быков), а также при широком
развитии в плане самих гидротехнических сооружений, например бетонных
плотин или шлюзов, возможность такого выпора просто исключается. В этих
случаях решающей оказывается уже работа грунта в фазе нарушения проч-
ности грунта (II фаза).
В свете изложенных выше положений возникают две частные, хотя и тес-
но связанные между собой задачи по оценке:
1) условия проявления общего нарушения устойчивости основания в
III фазе его работы, а вместе с тем и самого сооружения, с определением
исходя из этих условий критической величины нагрузки /?кр;
2) условия нарушения прочности грунтов в основании сооружений во
272
II фазе его работы с определением исходя из тех или иных ограничений ве-
личины предельной нагрузки на грунт рпред.
Критерии прочности и устойчивости грунта по элементарной площадке.
Касательные напряжения т в толще основания сооружения меняются по
величине и направлению в зависимости от координат рассматриваемой
точки и ориентации площадки, проведенной через эту точку. При этих
условиях не остаются постоянными значения т и по траекториям сколь-
жения. К этому надо добавить, что в общем случае оказывается изменяю-
щейся от точки к точке и сопротивляемость грунта сдвигу spW.
Все эти обстоятельства заставляют нас вначале рассмотреть вопрос об
устойчивости грунта применительно к некоторым интересующим нас эле-
ментарным площадкам, для которых и в пределах которых значения нор-
мальных и касательного напряжений могут считаться постоянными. Проч-
ность, а вместе с тем и устойчивость грунта на сдвиг в рассматриваемом слу-
чае могут оцениваться величиной коэффициента запаса устойчивости кзап,
определяемого выражением
«3. = -^’ (19-1)
В зависимости от относительной величины spw и т и отсюда значения /сзап
мы можем столкнуться со следующими возможными условиями работы грун-
та на элементарной площадке.
1. Грунт находится в равновесном положении (состояние предельного
равновесия). В этом случае т—spw и /с3ап=1-
2. Имеет место нарушение устойчивости грунта (запредельное состоя-
ние). При ЭТОМ условии ^Spw и зап^<1-
3. Имеется некоторый запас устойчивости (допредельное состояние).
В этом случае t<spW и кзап>1.
В настоящее время намечается тенденция оценивать прочность и устой-
чивость материалов не через коэффициент запаса устойчивости /сзап, а через
коэффициент условия работы т, определяемый по выражению
т==_Л_. (19-2)
^OW
Таким образом, коэффициент условия работы отображает степень моби-
лизации возможностей сопротивления грунта сдвигу, которые при т=1
оказываются уже полностью исчерпанными.
Очевидно, что в своем численном выражении коэффициенты /сит вза-
имно обратны, т. е.
^зап ~~ т > или ткзш 1. (19-3)
ш л3ап
273
ГЛАВА 20
ОБЩИЕ ВЫРАЖЕНИЯ ДЛЯ ^ОПИСАНИЯ 1 НАПРЯЖЕНА ОГО
СОСТОЯНИЯ ТОЛЩИ ОСНОВАНИЯ ПОД ВНЕШНЕЙ НАГРУЗКОЙ
Условия использования выводов теории упругости. Решение задачи
по оценке степени устойчивости грунтов в основании сооружения связано с
необходимостью определения численных значений сдвигающих напряже-
ний т для площадки, проведенной через любую точку толщи и любым обра-
зом ориентированной. Для решения ряда частных задач должна быть обес-
печена возможность определения т практически для любых видов нагрузки,
т. е. равномерно распределенной, распределенной по закону треугольника
в том или ином его виде, по трапеции и т. д. Не исключена необходимость оп-
ределения в ряде случаев сдвигающего напряжения в условиях не толь-
ко плоской, но и пространственной задачи.
Такая постановка вопроса требует использования широко развитого
расчетного аппарата. Таким аппаратом располагает теория упругости.
Однако хорошо известно, что в общем случае грунты не могут быть безо-
говорочно отнесены к упругим телам. Отсюда возникает ряд ограничений.
Скалистые породы в монолите должны быть отнесены к действительно упру-
гим телам. В другом положении могут оказаться сыпучие (несвязные) поро-
ды и все виды грунтов, характеризующиеся под нагрузкой остаточными
(необратимыми) деформациями.
Под остаточной деформацией в данном случае подразумевается часть
общей деформации тела, невосстанавливающаяся при снятии приложенной
к нему нагрузки. Остаточная деформация грунтов под воздействием сжима-
ющих нормальных напряжений обусловливается их способностью в той
или иной мере к необратимому уплотнению. .
Остаточная деформация толщи основания сооружения, помимо уплотне-
ния грунта, может быть вызвана деформацией сдвига при нарушении пре-
дельного равновесия грунта. Такие зоны в основании сооружения, где сдви-
гающие напряжения т: превосходят силу сопротивляемости грунта сдвигу
и где грунт находится в разрушенном состоянии, мы называем пластичес-
кими областями или областями разрушения. В этом случае необратимая
доля осадки сооружения пополняется за счет деформации сооружения в
связи с некоторым отдавливанием грунта из-под подошвы фундамента соо-
ружения, в особенности в его краевых зонах.
Советские ученые Н. М. Герсеванов и В. А. Флорин (1936 г.) показали,
что выводы математической теории упругости остаются справедливыми для
всех тел, характеризующихся линейной зависимостью их механической ха-
рактеристики, т. е. удовлетворяющих условиям закона Гука о пропорцио-
нальности деформации напряжения, т. е.
274
где е — относительная деформация;
р — сжимающее нормальное напряжение;
Е — модуль общей деформации грунта, как аналог модуля упругости
(модуля Юнга) для твердых тел.
Такие тела мы называем линейно деформируемыми. В полной мере грун-
ты удовлетворяют этому требованию в пределах весьма малых нагрузок
или при большой их плотности.
Значительное развитие в основании сооружений пластических областей
исключает принципиальную возможность использования в данном случае
аппарата теории упругости. В этих условиях наиболее полное теоретичес-
кое рассмотрение вопроса могло бы быть достигнуто при решении смешан-
ной задачи теории упругости и теории пластичности. В силу исключитель-
ных математических трудностей такая задача до сего времени не получила
разрешения. Помимо этого, следует отметить, что во избежание значитель-
ных и неравномерных осадок и деформаций сооружений их, как правило,
проектируют с расчетом на полное отсутствие или самое незначительное раз-
витие в их основании пластических областей. Наблюдения за осадкой и
деформацией реальных сооружений, в том числе и в первую очередь соору-
жений Свирьстроя (1927—1934 гг.), где выводы «Механики грунтов» как на-
учной и прикладной дисциплины впервые в мировом масштабе получили
практическое применение, вполне отчетливо показали и доказали:
1) полную возможность использования математического аппарата теории
упругости для изучения напряженного состояния грунтовой толщи в услови-
ях и пределах обычно практикуемых нагрузок на грунт, исключающих це-
ликом или жестко ограничивающих допустимую степень локального нару-
шения прочности грунтов в основании сооружений;
2) необходимость применения в большинстве случаев для прогноза де-
формации грунтовой толщи в связи с часто наблюдаемым криволинейным
характером механических характеристик грунта и их зависимостью от на-
грузки специального расчетного аппарата, разработанного на принципах
«Механики грунтов».
Следует подчеркнуть, что обоснованность использования аппарата «Тео-
рии упругости» для рассмотрения напряженного состояния грунтовой тол-
щи возрастает с увеличением дисперсности (мелкозернистости) грунта, его
связности и действующих в грунте сил структурного сцепления, а также
заглубления фундамента сооружения.
Особенно важное значение приобретает рассматриваемая задача при
оценке несущей способности оснований сооружений, сложенных глинисты-
ми грунтами. Как известно, такие грунты во всех случаях отличаются вы-
сокой дисперсностью и некоторым общим сцеплением cw .
Учитывая все отмеченное выше, следует признать использование мате-
матического аппарата «Теории упругости» для нахождения значений тех
275
или иных нормальных и сдвигающих напряжений в рамках практической
целесообразности вполне закономерным и оправданным.
Основная цель настоящей работы заключается в ознакомлении читате-
ля с принципиальной стороной решения задачи о прочности и устойчивос-
ти грунтов в основаниях сооружений. В силу этого изложение вопроса в
Рис. 20-1. Величины нормальных напряжений pz и рх, а также каса-
тельных напряжений г2Х = ixz в зависимости от координат рассматри-
ваемой точки в толще основания
данном случае ограничивается рассмотрением наиболее простой задачи воз-
действия на толщу грунта равномерно распределенной нагрузки в условиях
в основном плоской задачи и, в некоторых вариантах, с распределением на-
грузки по закону треугольника. За исключением особо оговоренных случа-
ев нагрузка на поверхности рассматривается как свободно лежащая (фун-
дамент с нулевой жесткостью).
276
Задача о напряженном состоянии грунтовой толщи под другими видами
нагрузки, имеющими практическое значение, легко разрешается путем ис-
пользования принципа наложения (суммирования) напряжений в определен-
ных осях (см. ниже).
Основные принципы определения нормальных и касательных напряже-
ний. Вопрос о распределении напряжений в толще основания сооружения
в настоящее время разрешается на базе изучения напряженного состояния
упругого полупространства. В этом случае под упругим полупространством
подразумевается однородное (изотропное) упругое тело, ограниченное с по-
верхности плоскостью и беспредельно простирающееся под этой плоскостью
во всех направлениях.
Представим себе, что некоторая часть поверхности грунтовой толщи,
симметричная по отношению к оси Z, свободно загружена в условиях плос-
кой задачи на ширине 2 b равномерно распределенной нагрузкой pQ
(рис. 20-1).
Величину р0 устанавливают исходя из собственного веса конструкции,
ее особенностей, временной нагрузки и размеров фундамента и при этом при-
нимают во внимание возможность некоторого увеличения нагрузки за
счет неточности расчетов и изменения условий работы сооружения.
Увеличение нагрузки учитывают путем умножения нормативных значений
нагрузок на некоторый коэффициент п, который получил название коэффи-
циента перегрузки.
Величины нормативных нагрузок и коэффициентов перегрузки уста-
навливаются соответствующими нормами, утвержденными Государст-
венным комитетом Совета Министров СССР по делам строительства по
представлениям и разработкам соответствующих научно-исследователь-
ских организаций. Величины коэффициентов перегрузки варьируют в
общем случае от 1,1 до 1,4, причем минимальные значения относятся к
собственному весу конструкции, а максимальные — к полезной нагруз-
ке, которая может сильно меняться.
Как известно, понятие о напряженном состоянии в данной точке загру-
женного тела включает в Себя совокупность напряжений, передаваемых через
все площадки, проведенные через данную точку. Очевидно, что число этих
площадок, так же как и точек в основании, неограниченно. Их взаимное
отличие заключается лишь в соответствующих различиях координат точек
z, х и в ориентации (наклоне) самих площадок.
При известной направленности действия сил напряжения, передаваемые
через эти площадки, естественно не будут одинаковыми. Наметим в осно-
вании ряд точек: А , Б, В, Г и т. д. Выделим в каждой их этих точек для изу-
чения в них напряженного состояния элементарные объемы в виде кубов
В условиях плоской задачи эти элементы будут представлены квадратами;
стороны этих квадратов образуют попарно в пределе как бы различным об-
разом расположенные и ориентированные площадки, проведенные через рас-
277
сматриваемые точки. В данном случае (см. рис. 20-1) все выделенные нами
элементы располагаются на плоскости однообразно с ориентацией сторон
элементарных квадратов по осям 0Z и ОХ, т. е. вертикально и горизонталь-
но. По сторонам каждого из этих элементов в общем случае действуют на-
пряжения: а) вертикальное нормальное сжимающее напряжение р2; б) го-
ризонтальное нормальное сжимающее напряжение рх ; в) касательные (сдви-
гающие) напряжения х2Х и хХ2, попарно равные (х2Х — хХ2). Напряжения
pz, рх и х2х соответствующим образом нанесены на чертеж рис. 20-1 и изоб-
ражены здесь в некотором масштабе в долях от нагрузки на поверхности
толщи р0.
Так, например, для точки Д мы имеем: рг=О,6Оро; Рх =О,О5ро; Хгх—
=ххг =0- Напряжения в любой другой из приведенных точек оказываются
отличными, свидетельствуя об изменении величины напряжения в толще ос-
нования даже для однообразно ориентированных площадок в зависимости от
координат рассматриваемых точек.
Анализ данных рис. 20-1 позволяет установить некоторую закономер-
ность распределения напряжений и, в частности, для данного случая за-
грузки поверхности сделать такие выводы:
1) напряженное состояние ослабляется с удалением рассматриваемых
точек от загруженного участка поверхности вглубь и вбок от оси симметрии;
2) вертикальные сжимающие нормальные напряжения рг достигают наи-
большей величины по оси симметрии OZ;
3) горизонтальные нормальные сжимающие напряжения рх в напряжен-
ном состоянии толщи играют подчиненную роль;
4) сдвигающие (касательные) напряжения по горизонтальным и верти-
кальным площадкам xxz и х2Х оказываются тесно связанными с напряжени-
ями рги рх ив общем случае отчетливо изменяются с переменой координат
точек z и х. Вместе с тем, для всех точек по оси симметрии OZ они яв-
ляются равными нулю (xzx —хХ2 =0).
Как будет показано ниже, напряженное состояние полупространства,
а следовательно, и величины напряжений р2, рх (в общем случае нормаль-
ные напряжения рп), а также сдвигающие напряжения 'с в некоторой точке
оказываются зависящими от интенсивности загрузки р0 в прямой пропорцио-
нальности и, что является принципиальцо весьма важным, также и от
ширины 2 b загруженного участка.
Здесь в напряженном состоянии упругого полупространства может быть
отмечена некоторая частичная, но весьма полезная аналогия с освещенно-
стью некоторой площадки в зависимости от ее положения и ориентации от-
носительно источника света, его интенсивности (аналог р0) и Длины, напри-
мер трубки лампы дневного света (аналог 2 Ь).
Вернемся, однако, к рис. 20-1. Изменим ориентацию выделенных нами
элементов в соответствии с рис. 20-2. Как видим, значения нормальный и
касательных напряжений с поворотом площадок, на которые они действуют,
278
претерпели существенное изменение. При принятом повороте элементов *
нормальные напряжения по сторонам наших элементарных квадратов ока-
зываются равными, т. е. и касательные напряжения достигают здесь своего
максимума 'Смаке- В отличие от условий рис. 20-1 сдвигающие напряжения
тмакс по оси симметрии OZ получают вещественное^значение.
Рис. 20-2. Величины нормальных рп и максимальных для данной точки
касательных напряжений тМакс в зависимости от ориентации элемента
Напряженное состояние в данной точке весьма наглядно отображается
при помощи эллипса напряжений (рис. 20-3), построенного на главных напря-
жениях pi и р2, как на своих полуосях. Уравнение этого эллипса в коорди-
натах X и У, совпадающих с его осями,
у 2 у/2
A-+A~ = l. (20-1)
Pl р2
* Элементы рис. 20-2 ориентированы под углом в 45° к главным направлениям
в рассматриваемой точке.
279
Рис. 20-3. Эллипсы’’ напряжений (внутрен-
ний) и направляющий (внешний) для изуче-
ния напряженного состояния в точке с ко-
ординатами z и х
Эллипс напряжений ориентируется своими осями в напряженном поле
по главным, направлениям.
Отметим, что главные направления отвечают линиям действия главных
напряжений и р2. Центр эллипса О совпадает с рассматриваемой точкой,
напряженное состояние в которой изучается.
Полное напряжение рПолн ,
действующее через ту или иную
площадку (площадки / — Z,
ZZ—II и т. д. по рис. 20-3) оп-
ределяются величиной соответ-
ствующего радиуса-вектора
Pi—Р4- Таким образом, эллипс
напряжений служит для опре-
деления напряжений.
Ориентация площадки, отве-
чающая значению рПОЛн=Р> оп‘
ределяется положением каса-
тельной к направляющему эллип-
су, сопряженному с эллипсом
напряжения, являющимся по
отношению к нему внешним и
описываемым уравнением
-^- + -£-=1. (20-2)
Pl
Очевидно, что при заданных
значениях главных напряжений
Pi и р2 и известной ориента-
ции в напряженном поле глав-
ных направлений оба эллипса могут быть легко построены. Очевидно так-
же, что во всех случаях полное напряжение рполн будет находиться в пре-
делах
Р1 Рполн (20-3)
Отсюда следует, что главные напряжения рх и р2 являются самым боль-
шим и самым малым из всех полных напряжений, которые могут действовать
по любой из площадок, проведенных через данную точку. При этом не следует
забывать, что величины главных напряжений pi и р2, а также направление
их действия в основании непрерывно изменяются с изменением координат
рассматриваемой точки. Считаем необходимым подчеркнуть, что главные
напряжения характеризуют напряженное состояние в данной точке в
целом, безотносительно к ориентации тех или иных площадок, проведенных
через данную точку.
280
Рис. 20-4. Разло-
жение полного на-
пряжения рполн
на нормальное рп
и касательное т
напряжения, © —
угол отклонения
Из выражения (20-3) и рис. 20-3 следует, что для площадок, сопряженных
с главными направлениями, значения
РЙолН = л: (20-4)
Рмлв = Р2- (20‘5)
По любому из направлений, отличному от главных, радиус-вектор эллип-
сов образует с касательной к ним в точке касания угол, меньший прямого,
причем полные напряжения рполн оказываются наклоненными к связанным
с ними площадкам. Мерой наклона служит угол отклонения 9. Углом откло-
нения 0 мы называем угол, образованный линией действия полного на-
пряжения рполн и нормалью к рассматриваемой площадке (рис. 20-4).
Отсюда следует, что полные напряжения для всех
площадок, по своей ориентации отличных от главных
направлений, могут быть разложены на составляющие:
перпендикулярные к площадке (нормальные напряже-
ния рп) и касательные к ней (сдвигающие напряжения т).
На рис. 20-3 указанное разложение рполн на Рп (в Дан"
ном случае р2 и рх) и т выполнено графически. Для этой
цели лучи Оа и ОЬ продолжены за пределы направляю-
щего эллипса и на них соответственно отложены ве-
личины р полн pi И р полн р2'
По площадкам III—III и IV—IV, сопряженным с
главными направлениями и перпендикулярным к ним и
одновременно перпендикулярным к диаметрам эллипса,
углы отклонения 0=0. Ясно, что сдвигающие напряже-
ния 'с для этих площадок также будут равняться нулю (см. рис. 20-3).
Таким образом очевидно, что величины касательных напряжений в
принципе достаточно просто могут быть определены для любых площадок,
проведенных через любые точки основания и для разных случаев нагрузок
поверхности толщи в том случае, если известны для этих точек величины
главных напряжений р± и р2 и линии их действия (главные направления).
Графическое построение эллипса напряжения и направляющего эллипса
для практических целей сложно и излишне громоздко. Гораздо проще и
полезнее построение круга Моора (рис. 20-5). Круг Моора строится на раз-
ности главных напряжений (pi—р2) как на диаметре. Отсюда круг имеет
радиус 7?, равный полуразности главных напряжений, т. е.
R = Р1~Рг (20-6)
Центр круга лежит на горизонтальной оси и имеет абсциссу
х= Рг+2Рг . (20-7)
281
Построение круга’5'Моора позволяет весьма просто определять через
главные напряжения Pi и р2 нормальные рп и касательные т напряжения
для площадок, различным образом ориентированных в плоскости основания
сооружения. Ориентация этих площадок определяется по отношению к
главным направлениям в данной точке углом 8 между нормалью к интересу-
ющей нас площадке и главным направлением, связанным с большим глав-
ным^напряжением р± (рис. 20-6).
Рис. 20-5. Определение касательных т и нор-
мальных рп напряжений построением круга
Моора
Рис. 20-6. Ориентация рас-
четной площадки в задан-
ной точке в отношении
главных направлений
Вернемся, однако, к рис. 20-5. Представим себе точку А, скользящую
по окружности круга Моора. Будем называть ее изображающей точкой.
Возьмем угол ш, образованный радиусом-вектором изображающей точ-
ки, равным удвоенной величине угла В, т. е.
ш = 28. (20-8)
В этом случае абсцисса изображающей точки будет давать нам величину
отвечающего данному случаю нормального напряжения рп, а ордината —
касательного т.
Из построения следует, что наибольшая при данных значениях р± и р2
величина касательного напряжения тмакс отвечает радиусу круга, т. е.
(20-9)
Очевидно, что тмакс будет максимальным значением касательного напря-
жения для данной точки и будет действовать по площадке, ориентированной
наиболее невыгодным образом;
282
Ориентация площадки, отвечающей 'смакс> определяется из значения
угла а). Из рис. 20-5 следует, что в данном случае при гмакс=7?
со = 28 = 90° (20-10)
и, следовательно,
8 = 45°. (20-11)
Таким образом, наибольшее для данной точки значение сдвигающего
(касательного) напряжения хмакс будет действовать на площадке, наклонен-
ной под углом 45° к главным направлениям; с другой стороны, очевидно,
что хмин=0 соответствует (о±=О и 0)2=180°, т. е. углам. 8t=0 и 82=90°,
или, иначе говоря, площадкам, совпадающим с тем или иным главным на-
правлением. Эти положения уже отмечались ранее и приводятся здесь лишь
для пояснения условий использования круга Моора. Из того же построения
рис. 20-5 следует, что значение х для всякой иной ориентации площадки мо-
жет быть найдено из выражения
Pi — г?
т5 = sin 28. (20-12)
Максимально возможное значение sin 28 = 1,0 возникает при 8=45°.
Отсюда, уже более формальным путем, снова вытекает известная нам зави-
симость (20-9):
Р1 Р2
т —-------------
имакс 2 *
При гидростатическом напряженном состоянии, т. е. при условии
=рг, касательное напряжение^ в соответствии с выражением (20-12) для
всех площадок, ориентированных различным образом, будет также равно
нулю.
Идя таким же путем (см. рис. 20-5), мы можем написать
Р1+ Р2
2
Pi — Р2 п.
—2------cos 2о.
(20-13)
Ясно, что максимальное и минимальное значения нормального напряже-
ния ргшакс=Р1 и Р/гмин=р2 будут соответственно отвечать величинам углов
8^=0 и 82=90°, так как очевидно, что
cos 28t = cos 0° = + 1 (20-14)
и
cos282 = cos 180° = — 1. (20-15)
При 8=45°, т. е. на площадках, наклоненных к главным направлениям
под углом 45°,
cos 28 = cos 90° = 0. (20-16)
283
Из выражений (20-16) и (20-13) следует, что’на площадках, наклоненных
под углом 45° к главным направлениям, нормальное напряжение
. (20-17)
Очевидно, что, зная pz, рх и тХ2, мы можем в свою очередь найти величи-
ны главных напряжений pi и р2. Для этой цели служит известное вы-
ражение
Pt. р2 = ± 4- /+ (20-18)
Исходя из этого выражения можно легко доказать, что
Pi + Pz = Pz + Px- (20-19)
Таким образом, сумма двух нормальных напряжений, действующих по
двум взаимно перпендикулярным площадкам, равняется сумме главных на-
пряжений для той же точки.
Выражение (20-19) остается справедливым для любой системы координат
независимо от выбора направления осей. Такие величины, не зависящие от
выбранной системы координат, называются инвариантами.
В теории упругости дается выражение и для второго инварианта, весь-
ма полезного для расчетов и анализа:
РгРх — ^г = PiPv (20-20)
При известных величинах нормальных р2 и рх и касательных хгх = xxz
напряжений наибольшее значение касательного напряжения т:макс может
быть найдено по выражению
Ълакс = 'К(Рг — Рх)2 + ’ (20-21)
Напомним, что в данном случае напряжения р2 и рх , а также хгх=ххг
отвечают площадкам, расположенным вертикально и горизонтально (по
осям Z и X).
Подводя итог нашему анализу в части определения сдвигающих (каса-
тельных) напряжений т в толще основания сооружения в условиях плоской
задачи, мы можем отметить следующие основные положения:
1. Касательные напряжения г в толще основания сооружения не остают-
ся однозначными и изменяются с переменой координат рассматриваемой
точки.
284
2. Величина касательного напряжения х для некоторой заданной точки
также не остается однозначной и непрерывно изменяется с переменой ориен-
тации площадки, проведенной через данную точку.
3. Минимальная для каждой точки величина касательного напряжения
(тмин=0) отвечает совпадению направления площадки с главными направле-
ниями; максимальное значение тмакс в свою очередь отвечает площадкам,
наклоненным под углом 45° к главным направлениям и определяется
полу разностью главных напряжений рх и р2 в данной точке.
4. В зависимости от ориентации площадок в каждой точке основания со-
оружения касательное напряжение может изменяться в пределах от О
ДО ^мако Т. е.
0<тй <хмакс. (20-22)
5. Величина т8 для определенным образом ориентированной площадки,
проведенной через заданную точку, проще всего устанавливается через глав-
ные напряжения pt и р2 по выражению (20-12) или через нормальные напря-
жения рг и рх , а также каса-
тельные напряжения т:гх='схг по
выражению (20-18).
Вертикальное р2 и горизон-
тальное рх нормальные и каса-
тельные тгх=тх2 напряжения при
равномерной нагрузке. Обра-
тимся к рис. 20-7, на котором
поверхность толщи загружена
нагрузкой р0, равномерно рас-
пределенной по ленте беско-
нечной длины шириной' В=2 b
(плоская задача), и попытаемся
установить формульные зависи-
мости, описывающие напря-
женное состояние любой из то-
чек основания сооружения, например точки М. Соединив точку М с
краями А и В загруженного участка, получим углы а, 04 и а2. Эти
углы в совокупности дают нам возможность точно определить поло-
жение любой точки в основании сооружения, так же как координаты
Z и X в декартовой системе.
Таким образом, мы используем в данном случае так называемую «бипо-
лярную систему координат» с двумя полюсами А и В у краев загруженного
участка.
Особое значение в нашем анализе имеет угол а, получивший название
угла видимости. В каждом частном случае при заданных значениях коорди-
нат рассматриваемой точки г и х, а также полуширины b загруженного
Рис. 20-7. Первая расчетная схема плоской
задачи распределения напряжений; а — угол
видимости
285
участка угол видимости легко определяется из самого построения рис. 20-7
по разности углов —72). Для этого должны быть решены два прямоуголь-
ных треугольника M.DB и MDA с одним общим катетом z и двумя другими
соответственно и (х—Ь).
Угол 7 на рис. 20-7 представляет собой переменную величину с крайни-
ми значениями и 72- Угол р дополняет угол 7 до 90°.
В = 90° — 7. (20-23)
Очевидно, что угол также пред-
ставляет собой переменную величи-
ну. Углы 04 и а2 — крайние значения
угла р. Угол а2 по отношению tK ^тре-
угольнику А МВ является внешним.
Следовательно, а2 = а 4- 04. Отсюда
угол видимости а определится раз-
ностью углов а2 и 04, т. е.
а = а2 — 04 о (20-24)
Рис. 20-8. Вторая расчетная схема Для вывода зависимостей, ОПИСЫ-
плоской задачи распределения напря- вающих напряженное состояние в не-
которой точке основания сооруже-
ния как упругого полупространст-
ва, используется решение известной задачи Фламана*.
В этой задаче рассматривается вопрос о распределении напряжений в
линейно деформируемом массиве при действии на него с поверхности линей-
ной нагрузки в виде непрерывного ряда сосредоточенных сил Р. Силы Р
располагаются в плоскости, нормальной к чертежу. Размерность Р — кПсм
или Т/м.
Перейдем к рис. 20-8. Примем центр новой координатной системы в
точке М.
По Фламану
2P (20-25)
2P Px — sin2 7 cos 7; (20-26)
2P т = sin 7 cos2 7. kR (20-27)
Здесь т = т2Х = тхг, а — длина луча, соединяющего точку М с точкой
приложения силы Р.
* F 1 a m a n t. Comptes rendus. Paris, 1892.
286
Элемент загруженной поверхности единичной длины и шириной dx
несет элементарную нагрузку
dP = podx. (20-28)
В силу малости dx мы можем рассматривать dP как сосредоточенный ли-
нейный груз в задаче Фламана.
Выражение (20-28), будучи подставленным в зависимости (20-25 — 20-27),
дает нам возможность получить исходные дифференциальные уравнения
для dpz, dpx и dx с выражением их через элементарный угол dy и в даль-
нейшем через угол d$. Проинтегрировав эти уравнения в пределах изменения
угла р под этим участком, т. е. в пределах углов а4 и а2, после соответст-
вующих элементарных преобразований мы получим следующие выражения*:
для вертикального нормального напряжения рг
pz = [а — sin а COS (аг ф- а2)]; (20-29)
для горизонтального нормального напряжения рх
рх — [а ф- sin а cos (ах 4~ а2)]; (20-30)
для касательного напряжения т
T = T^ = ^=-^sinasin(a1 + a2). (20-31)
Главные напряжения и р2. Теперь оказывается возможным вернуть-
ся к нашей основной цели—дать выражения главных напряжений pi и р2 в
условиях плоской задачи при равномерно распределенной нагрузке р0. Вос-
пользуемся для этого связью между главными напряжениями р± и р2 и зна-
чениями рх и xzx в виде инвариантов плоского поля [см. формулы
(20-19 и 20-20)]:
, + = +
2
Pl Рч --- Pz Рх Zzx- !
Подставив в эти выражения найденные значения pz , рх и х2Х из зависи-
мостей (20-29—20-31) и выполнив элементарные преобразования, мы полу-
чим возможность найти исключительно важные в нашем анализе выражения
для определения в условиях плоской задачи главных напряжений pi н р2,
а именно:
рх = (а ф- sin а); (20-32)
р2 = (а — sin а). (20-33)
* Подробный вывод зависимостей (20-29—20-31) дан в книге автора «Основы ме-
ханики грунтов и инженерной геологии». Автотрансиздат, 1961, стр. 365—368.
287
Очевидно, что на оси симметрии 0Z (рис. 20-^9):
1) при 2=оо, т. е. практически на очень большой глубине z под загру-
женной поверхностью, угол а=0 и главные напряжения pi=O; ^2=0;
2) при z=b, т. е. равном половине ширины загруженного участка, угол
а=90°, или а= и главные напряжения
Рис. 20-9. Изменение угла видимости а
по оси 0Z
3) при 2=0, т. е. Гна уровне
загруженной поверхности, угол
а=180° и главные напряжения
Р1 ~ Рз = Рв‘
Таким образом оказывается,
что угол видимости а по оси сим-
метрии меняется от 0 при z = оо
до 180° или тс — на поверхности
толщи.
Очевидно, что величина угла
а=тс отвечает его максимально воз-
можному значению.
Здесь необходимо подчеркнуть
одну характерную особенность из-
менения главных напряжений pi
и р2 в зависимости от глубины рас-
положения точки 2, а именно: на
начальном этапе увеличения 2 сни-
жение Pi идет весьма медленно
(«лениво»). В то же время здесь
весьма интенсивно уменьшается
второе, меньшее главное напряже-
ние р2- Это обстоятельство имеет
существенное значение для прог-
ноза деформаций толщи, что бу-
дет отмечено далее.
Анализируя выражения (20-32 и 20-33), мы видим, что:
1) для некоторой точки с заданным значением угла видимости а главные
напряжения рх и р2 связаны с интенсивностью загрузки поверхности р0
прямой пропорциональностью. Следовательно, всякое увеличение или умень-
шение ро в несколько раз приводит к пропорциональному увеличению или
снижению значений Pi и р2;
288
2) при заданном значении нагрузки р0 главные напряжения оказываются
зависящими лишь от угла видимости а и лишь с ним связаны функцио-
нально.
Эти обстоятельства позволяют построить для определения pi и pz гра-
фик или так называемую диаграмму кругов, или окружностей, напряже-
ний.
Принцип построения этого графика несложен и может быть уяснен из
рис. 20-10. Проведем ряд окружностей, проходящих через края А и С
_______ В
в ь ~ь *
Рис. 20-11. Схема к построению ок-
ружности напряжений для задан-
ного угла видимости а
Рис. 20-10. Окружности I, II, III и IV как
геометрическое место точек с равными угла-
ми видимости а
загруженного участка с центрами на оси OZ. Все эти окружности с различ-
ными радиусами опираются на одну и ту же хорду 2Ь =В. Углы при лю-
бой из точек, лежащих на этих окружностях,-—вписанные и являются для
этих точек углами видимости.
Из геометрии известно, что все вписанные углы для любых точек, лежа-
щих на данной окружности и опирающиеся на одну и ту же хорду, будут
равны между собой. Следовательно, построенные таким образом окружнос-
ти являются кривыми равных углов видимости, т. е. геометрическим местом
углов а=const.
Вспомним, что pi и р2 являются функцией угла видимости а. Поэтому
построенные указанным выше образом окружности являются одновременно
кривыми равных гласных напряжений pi и р2 (геометрическое место pi—
10 Заказ № 549 2 89
=const и p2=const). Эги круги могут быть названы кругами напряжений.
В частности, углы видимости для всех точек, лежащих на окружности IV
(по рис. 20-10) с радиусом jR=b и опирающейся на загруженный участок
как на диаметр, будут прямыми, т. е. а=90°.
При заданной величине угла видимости легко построить отвечающую
ему окружность.
Из рис. 20-11 видно, что радиус
этой окружности
(20-34)
Sin а 4 '
Центр окружности лежит на оси
Z с ординатой
20 = &ctga. (20-35)
Окружность пересекает ось Z на
ординате
2макс = Ь ctg ~ . (20-36)
Таким образом, оказывается, что
все элементы данной окружности оп-
ределяются величиной полуширины
b загруженного участка. Это обстоя-
тельство позволяет использовать по-
строение, выполненное в долях от
полуширины 6 загруженного участка, для всех значений b и, следовательно,
В=2Ь, выраженных уже в абсолютной величине. Так возникает система
относительных координат v и d, весьма удобная для решения ряда задач
«Механики грунтов».
Мы уже использовали однажды этот принцип при построении рис. 20-1
и 20-2.
Мы можем отметить, что приведенные на этих рисунках для тех или
иных точек основания сооружений значения pz, рх , рп, ^2х=^хг и. т могут
быть использованы для любых абсолютных ширин загруженного участка
В=2Ь при измерении координат этих точек в относительной системе
Приведем схему относительной координатной системы (рис. 20-12).
Относительные координаты v и d для данной точки определяются выраже-
ниями:
(20-37)
290
d = (20-38)
Таким образом, v и d соответственно определяют собой ординату и абс-
циссу рассматриваемой точки, выраженные в полуширинах загруженного
участка.
Переход от относительной координатной системы к абсолютной осущест-
вляется выражениями:
z = vb; (20-39)
x = db. (20-40)
Из выражений (20-38) и (20-40) следует, что для точек, лежащих на оси
симметрии (ось Z), относительная ордината d—0. В то же время абсциссы
всех точек, лежащих на разных глубинах под краями А и С загруженного
участка, будут определяться относительными, ординатами d= + l и d——1.
Очевидно, что одним и тем же значениям v и d при разных абсолютных
значениях величин Bl=2bi и В2=2Ь2 будут отвечать разные значения коор-
динат z и х, уже в абсолютном их выражении, и наоборот. Так, например,
для участка шириной В1=261=1 м, точка D, лежащая на оси симметрии
(ось Z) на глубине ^=3, будет отвечать глубине z в абсолютном выражении:
2= vb=3-Q,5= 1,5 м, а для загруженного участка шириной В2=2Ь2 = 8 м
глубина z будет равна z=3-4=12 м. Указанное обстоятельство никак
нельзя упускать из внимания.
После этих предварительных замечаний мы можем перейти непосредст-
венно к рис. 20-13, на котором изображен график, кругов напряжений, в
относительной системе координат v и d. На графике нанесен ряд окружнос-
тей, надписи на которых обозначают соответствующие им значения углов
видимости а, коэффициентов р., v и е для определения значений главных
напряжений Pi и р2 и наибольшего касательного напряжения хмакс, а также
угол наибольшего отклонения Омакс, о котором будет говориться далее.
Коэффициенты р. и v отвечают значению pt и р2 при р0=1 кГ/см2. Учиты-
вая прямую пропорциональную зависимость главных напряжений и р2,
а также tMaKC от интенсивности загрузки на поверхности р0, величины рх
и р2 для иных значений подлежат определению по элементарным зависимос-
тям:
Pi = W, (20-41)
p3 = vp0; (20-42)
тмаКс=еА)- (20-43)
Более подробные данные по этим показателям приведены в табл. 20.
Применение для практических целей кругов напряжений по рис. 20-13,
а также данные табл. 20 лучше всего разобрать на примере.
10* ’ 291
Пример 1. Участок поверхности шириной В=26 = 10 м в условиях
плоской задачи загружен равномерно распределенной нагрузкой с интен-
сивностью ро=ЗО Т!м\ или 3 кПсм?.
Рис. 20-13. График кругов напряжений в относитель-
ных координатах с линиями, равными a, pi и ра, тмакс и
®макс> Абсцисса d = —; ордината v , где b — по-
b b
ловина ширины загруженной площади. Напряжения ,
выражены в долях от ро, где ро — нагрузка на поверх-
ности
Требуется определить главные напряжения в точке М под краем загруженно-
го участка (х=5 м) на глубине z=15 м.
Сначала найдем положение точки М в относительной системе координат:
2 15 о
ордината у = —= -^- = 3;
292
% 5
абсцисса ’ £/ = — = — = 10
Ь 5
После этого нанесем точку М с координатами и d=\ на рис. 20-13
и путем интерполяции определим по графику угол видимости а для этой
точки, который в нашем примере равен 33°.
Интерполируя значения р. и v по табл. 20 или непосредственно по графи-
ку рис. 20-13 между ближайшими углами а=30° и а=35° для точки М с
Таблица 20
Коэффициенты ч и е для определения главных напряжений рг и р2
и наибольшего касательного напряжения тмаКс, а также углы наибольшего
_________отклонения 0макс в зависимости от углов видимости а
Углы видимости а, град (X (для V (для р2) Е ^ля \1акс) Углы наибольшего отклонения ®макс, град
0 0,00 0,00 0,00 90
20 0,23 0,00 0,11 74
25 0,27 0,01 0,15 72
30 0,32 0,01 0,16 69
35 0,35 0,01 0,18 68
40 0,42 0,02 0,20 64
45 0,48 0,03 0,23 60
50 0,52 0,04 0,24 58
55 0,57 0,05 0,26 56
60 0,61 0,06 0,28 54
65 0,65 0,07 0,29 51
70 0,69 0,09 0,30 49
75 0,72 0,10 0,31 47
80 0,76 0,13 0,31 45
85 0,79 0,15 0,32 42
90 0,82 0,18 0,32 40
95 0,85 0,21 0,32 37
100 0,87 0,24 0,31 35
105 0,90 0,28 0,31 32
НО 0,91 0,31 0,30 30
115 0,93 0,35 0,29 27
120 0,94 0,39 0,28 24
125 0,96 0,43 0,26 22
130 0,97 0,48 0,24 20
135 0,97 0,52 0,23 17
140 0,98 0,58 0,20 15
145 0,98 0,64 0,18 13
150 0,99 0,67 0,16 11
155 0,99 0,72 0,15 9
160 1,00 0,78 0,11 7
293
координатами ц=3,0 и d~ 1,0, находим величины расчетных коэффициен-
тов р.=0,335 и v=0,01. Отсюда по выражениям (20-41) и (20-42) окончатель-
но получаем:
= [хр0 = 0,335-3,0 = 10 кГ/см2 или 100 Т/м2;
Рг — ^Ро — 0,01 -3,0 = 0,03 кГ/см2 или 0,3 Т/м2.
Обращаем внимание на характерный для данного случая факт значитель-
ного превышения pi величины р2 (в 33 раза).
Линии равных главных напряжений и р2 для треугольной нагрузки
нанесены на график рис. 20-14. Этот график составлен по-прежнему в отно-
сительных координатах.
Для полного описания главных напряжений р{ и р2 и практического
их использования для инженерных расчетов необходимо знать не только
величину, но и направление их действия, т. е., другими словами, главные
направления. Следует помнить, что ориентация главных направлений непре-
рывно изменяется вместе с изменением координат интересующей нас точки.
Обратимся к выражению нормального напряжения рп через главные на-
пряжения Pi и р2 в некоторой точке основания по площадке, соответствую-
щим образом ориентированной (формула 20-13).
рп = cos 23.
294
Рис. 20-15. Расчетная схема для ориента-
ции главных направлений
Здесь 8 — угол, образуемый нормалью к площадке с линией действия боль-
шего главного напряжения р±.
Для решения задачи при условии равномерно распределенной нагрузки
р0 подставим в это выражение найденные нами значения напряжений pi и
р2 из зависимостей (20-32) и (20-33). После элементарных преобразований
будем иметь
рп = + sin a cos 28). (20-44)
Выпишем снова получен-
ную нами зависимость для
определения в рассматрива-
емых условиях горизонталь-
ного нормального напряже-
ния рх (см. формулу 20-30).
Рх =
= + sin а cos (ai“Гаг)]
Из сопоставления выра-
жений (20-44) и (20-30) ясно,
что для рассматриваемого
случая, т. е. когда горизон-
тально направленное нор-
мальное напряжение дейст-
вует через вертикальную
площадку, угол
28 = а, Д а2. (20-45)
В уравнении (20-30), написанном для рх , нормалью к площадке явля-
ется ось X.
Таким образом, угол между осью X и линией действия большего главно-
го напряжения pi является определяющим положение вертикальной пло-
щадки, по которой действует рх . Следовательно, для данного случая этот
угол есть угол 8, который в соответствии с выражением (20-45) определя-
ется значением
8 = . (20-46)
Из построения рис. 20-15 вытекает, что прямая, наклоненная под углом
8 аг + я2 к оси является биссектрисой угла видимости а.
295
Подобным же образом мы можем убедиться, что для любой точки толщи
линия действия большего главного напряжения, определяющая ориентацию
соответствующего главного направления, в рассматриваемых условиях
совпадает с биссектрисой угла видимости а для этой точки.
Очевидно, что второе главное направление будет перпендикулярно бис-
сектрисе угла видимости.
Отсюда возникает весьма простой способ построения главных направле-
ний для любой точки основания (рис. 20-16).
Прежде всего для данной точки М с координатами г и х определяется
угол видимости а. Далее, используя выражения (20-34) и (20-35), строим
окружность равных углов а, от-
вечающих только что определен-
ному значению угла видимости а.
Эта окружность является одной
из семейства «кругов напряжений»
по рис. 20-13. Продолжаем эту
окружность за пределы нашего
чертежа, т. е. замыкаем ее над за-
груженным участком. Таким обра-
зом, эта окружность будет вычер-
чена полностью. Угол видимости а
опирается на дугу Л7<С.
Искомая биссектриса должна,
очевидно, пройти через точку /С,
лежащую па оси симметрии. Сое-
динив заданную точку М с точ-
кой К прямой линией, мы найдем
положение искомой биссектрисы,
т. е. линии действия большего
главного напряжения pt. Эта ли-
ния будет одним из главных на-
правлений. Второе главное на-
правление, отвечающее маньшему
Рис. 20-16. Схема к построению главных главному напряжению р2, будет
г перпендикулярно направлению
биссектрисы и, следовательно, бу-
дет совпадать с линией ML. Этот вывод вытекает из условия, что угол
KML, как опирающийся на диаметр окружности, будет прямым.
Зная величины главных напряжений р} и р2 и линии их действия, мы
можем легко построить для соответствующих точек эллипсы напряжений,
что выполнено на рис. 20-16.
Очевидно, что для всех точек, лежащих на оси Z, являющейся в данном
случае осью симметрии, главные направления будут направлены соответ -
296
ственно по вертикали и горизонтали, т. е. они будут совпадать с осями Z и
X. Этот важный, хотя и принципиально очевидный вывод, вытекает и из
других соображений.
Как мы знаем, касательное напряжение т= х2Х=ххг, т. е. действующее
по осям Z и X, для рассматриваемого случая описывается выражением (20-
31).
х - sin a sin (а.. ай .
к \ 1 I -/
Рис. 20-17. Ориентация главных направлений в
основании сооружений
Обращаясь к рис. 20-
16, мы видим, что
(^ +а2)= 180°, (20-47)
т. е,
sin (04 -у- а2) = 0. (20-48)
Следовательно, в дан-
ном случае
т = г„ = т„ = 0. (20-49)
Вместе с тем извест-
но, что касательные на-
пряжения т=0 лишь по
площадкам, совпадающим
с главными направления-
ми. Следовательно, в дан-
ном случае оси Z и X яв-
ляются главными направ-
лениями, что и следовало
доказать.
Рис. 20-17 иллюстрирует ориентацию главных направлений в ряде
точек толщи основания, построенных исходя из указанного принципа
совпадения линии действия большего главного напряжения с биссектрисой
угла видимости а.
Касательные напряжения т, тмакс и тмак смакс. Согласно формуле (20-12)
касательное (сдвигающее) напряжение т, действующее по некоторой пло-
щадке, с ориентацией, определяемой углом о, выражается зависимостью
т. = р' ~ Р2 sin 28.
0 2
Главные напряжения р{ и р2 определяются по зависимостям (20-32) и
(20-33):
р, = (а щ sin а);
297
р2 = (а — sin а).
Подставив значения pi и р2 в зависимость (20-12), получим
Tg =sin a sin 2о . (20-50)
. Найдем величину касательного напряжения хХ2=хгх, действующего по
вертикальной площадке; нормалью к этой площадке будет ось X. Ось X
Рис. 20-18. Кривые равных сдвигающих (касательных) напряжений г2Х = xxz
по горизонтальным или вертикальным площадкам от равномерно распре-
деленной нагрузки ро (левая сторона рисунка) и вертикальные нормальные
сжимающие напряжения р2 от горизонтальной равномерно распределенной
касательной нагрузки до (правая сторона рисунка). Плоская задача
образует (см. рис. 20-15) с главным направлением, совпадающим с биссект-
рисой угла видимости а, угол согласно формуле (20-46).
5 _ а1 + «2
Подставляя значение угла В в выражение (20-50) и учитывая рис. 20-15,
получим
тгл-= ~xz ~ ~~ sin а sin (ai + аг) = si*1 а sin 2р. (20-51)
298
Выражение (20-51) для xzx=xxz в точности соответствует зависимости
(20-31), выведенной иным путем.
Характер распределения в толще основания касательных напряжений
по вертикальной и горизонтальной площадкам тх2 и для случая верти-
кальной равномерно распределенной нагрузки р0 иллюстрируется
* рис. 20-18. График составлен в долях от нагрузки р0 и в относительной
координатной системе v и d. Этот график, как и график «кругов напряже-
ния», позволяет найти значения ^xz=^zx для точки с любыми координатами
z и х при любой интенсивности нагрузки р0, для разных ширин загруженно-
го участка В =2Ь. Значения xxz=xzx для случая горизонтальной равномерно
распределенной нагрузки q0 иллюстрируются приведенным ниже рис. 32-2.
При оценке степени устойчивости грунта в некоторой точке основания
необходимо считаться с максимальным значением касательного напряжения
тмакс, отвечающего данной точке и самым невыгодным образом расположен-
ной площадке. Найдем значение тмакс согласно выражению (20-9):
_ Pi - Р2
макс 2 '
Подставим в эту зависимость значения главных напряжений и р2
из выражений (20-32) и (20-33). После соответствующего приведения i сокра-
щения получим
Wc = ^-sina. (20-52)
Как видим, значение хмакс, так же как и главные напряжения pi и р2,
находится в прямой пропорциональной зависимости от интенсивности рав-
номерно распределенной нагрузки р0 и в некоторой функциональной за-
висимости от угла видимости а. Это допускает возможность определе-
ния наибольших для данной точки значений касательных напряжений
тмакс по графику кругов напряжений (см. рис. 20-13). Приведенные на
этом рисунке окружности, помимо прочего своего назначения, будут од-
новременно кривыми равных наибольших значений касательных напря-
жений тмакс .
На кругах рис. 20-13 и в табл. 20 показаны значения тмакс в долях
от нагрузки Ро в виде некоторого безразмерного коэффициента г. Таким
образом,
Wc = 5 Ро- (20-53)
* Формула (20-51) и рис. 20-18 служат одновременно для определения вертикаль-
ного сжимающего .напряжения pz при равномерно распределенной горизонтальной
(касательной) нагрузке q0, приложенной к подошве фундамента или сооружения
(см. гл. 28).
299
Использование графика «кругов напряжений» и табл. 20 для расчета
тмакс аналогично расчетам рх и р2 и для лучшего усвоения иллюстриру-
ется примером 2.
П р и м е р 2. Требуется определить тмакс в середине основания заг-
руженного участка шириной В=2 b = 4 м (плоская задача) на глубине Злг
(точка Е на рис. 20-13) при интенсивности нагрузки р0 = 5077дг2, или
р0 = 5,0 кГ1см\
Относительные координаты точки Е будут:
ордината v = ~ м и абсцисса d = ~ = 0 .
Рис. 20-19. Линии равных наибольших касатель-
ных напряжений тмакс (в долях от ро) в условиях
передачи нагрузки на грунт через абсолютно жест-
кую фундаментную ленту
По графику рис. 20-13
для точки v =1,5; d=Q мы
не имеем возможности най-
ти непосредственно е. По-
этому вначале находим по
интерполяции значение
угла видимости а =67°. ,
Далее по табл. 20 для
угла видимости а =67° на-
ходим величину коэффи-
циента е =0,29, и согласно
выражению (20-53) тмакс =
= 0,29-5,0 = 1,45 кПсм2,
или 14,5 Т/м2.
Значение тмакс по выра-
жению (20-52) соответст-
вует в условиях плоской
задачи случаю прямой, не-
посредственной загрузке
поверхности или, иначе го-
воря, абсолютно гибкой,
фундаментной ленте (с
нулевой жесткостью).
На рис. 20-19 приведен
график линий равных наибольших касательных напряжений тмакс, полу-
ченных опытным путем, для тех же условий плоской задачи, но с переда-
чей нагрузки на грунт через абсолютно жесткую фундаментную ленту.
Этот график составлен подобно графику рис. 20-13. Сопоставление гра-
фиков позволяет отметить лишь несколько большую концентрацию напря-
жений тмакс у краев жесткой ленты, довольно быстро рассасывающуюся с
глубиной. Во всем остальном оба случая дают достаточно близкие резуль-
таты.
300
Следует также отметить, что в реальных условиях, в особенности при
слабых грунтах в основании сооружений, такая концентрация напряжений
в краевых зонах фундамента практически исключается благодаря возни-
кающим здесь пластическим деформациям («запредельное состояние»). Это
условие в пределах допустимой точности инженерных расчетов позволяет
использовать в практических целях (за исключением особых случаев) дан-
ное выше решение задачи вне зависимости от жесткости фундамента или со-
оружения.
Рис. 20-20. Линии равных наибольших касательных на-
пряжений тмакс. Случай загрузки по закону равнобед-
ренного треугольника
Все приведенные выше результаты относятся к случаю равномерного
распределения нагрузок, на поверхности толщи с интенсивностью р0. В прак-
тике часто возникает необходимость определения максимального касатель-
ного напряжения тмакс в основаниях высоких дорожных насыпей, т. е.
с неравномерно распределенной нагрузкой. В этом случае при проектирова-
нии насыпей с сечением, близким к треугольному, может быть использован
график рис. 20-20 с распределением нагрузки на поверхности толщи по
закону равнобедренного треугольника. Этот график составлен по-прежне-
му в относительных координатах (в долях от b — половины ширины загру-
женного участка) и в долях от максимальной нагрузки р0.
Способ использования такого графика иллюстрируется следующим при-
мером.
301
п ример 3. Требуется найти максимальное касательное напряжение
Умакс под краем дорожной насыпи высотой Н =15 м в точке К с координатами
2=11,25 м и х=22,5 м. Заложение откосов насыпи— 1:1,5. Объемный
вес грунта насыпи =1,95 Т!м\
Находим полуширину насыпи Ь (заложение ее откоса): b =1,5Я =1,5х
X15 =22,5 м, а затем определяем относительные координаты точки К: ор-
2
дината v =
11,25 п - - j х 22,5 тит
= со =0,5; абсцисса а =—г- = оо с - = 1. Находим
22,50 ’ b 22,5
максимальную нагрузку р0 на грунт по оси насыпи: р0 = 1,95-15 = 29,3
TIm2, или р0 =2,93 кПсм .
После этого по графику рис. 20-20 находим величину т:максв точке К
с координатами v =0,5 и d=l. Имеем: твдакс =0,14 р0, а поскольку в нашем
примере р0=2,93 кПсм?, тотмакс =0,14-2,93=0,41 кПсм,2, или 4,10 Т!м2.
При проектировании низких насыпей с сечением по трапеции без особой
погрешности может быть использовано решение задачи, отвечающее равно-
мерно распределенной нагрузке.
Весьма полезно проследить условия изменения тмакс в толще основания
под равномерно распределенной нагрузкой, приложенной к поверхности
грунта. Выпишем снова выражение (20-52) для т
^макс = -^- sin а.
Очевидно, что своего минимального значения хмакс достигает при sina=0,
т. е. при углах видимости 0° или 180°, ив обоих этих случаях т:макс =0. Та-
кое положение отвечает расположению рассматриваемой точки на глубинах
z=oo и 2=0 или, иначе говоря, на относительно очень большой глубине
или непосредственно на поверхности толщи под нагрузкой р0. Последнее
обстоятельство мы имели уже случай отметить раньше, сославшись на то,
что здесь возникает гидростатическое распределение напряжений, при ко-
тором главные напряжения pi и р2 равны между собой.
Также очевидно, что возможный максимум наибольшего значения каса-
тельного напряжения, т.е. хмакс. макс согласно выражению (20-52) достигает
при sin а=1, т. е. при угле видимости а =90°.
Следовательно, в любой из точек основания, которая лежит на окруж-
ности, опирающейся на загруженный участок В =2 b как на диаметр, мы
будем иметь
Т = . (20-54)
макс, макс тс v >
На оси Z эта точка будет лежать на глубине 2=5.
Как это следует из выражения (20-54), при равномерно распределенной
нагрузке в условиях плоской задачи ни в одной точке основания сооружения
302
касательное напряжение не может превзойти своего приближенного зна-
чения
т = -4- Ра . (20-55)
макс, макс 3 \ /
Подобный же анализ условий распределения напряжений в толще под
треугольной нагрузкой в соответствии с рис. 20-20 дает следующее выраже-
ние для максимального значения касательного напряжения:
т = 0,256ро. (20-56)
Точка, отвечающая данному значению тмакс. макс, лежит по оси симметрии
(ось Z) на глубине т. е. на глубине, равной х/4 ширины всего основания
насыпи (грузового треугольника).
Соответствующим образом может быть доказано, что наибольшее из воз-
можных значений касательного напряжения тмакс. макс при загрузке поверх-
ности толщи по площади круга с некоторым диаметром d (пространственная
задача) будет
х = 0,33 рп.
макс, макс ’
Такое напряженное состояние возникает в точке, лежащей на оси Z
(ось симметрии) на глубине 2=0,32 d от поверхности.
Для жесткого квадратного фундамента
т =0,25пп.
макс, макс ’ г()
Как видим, во всех рассмотренных случаях значения наибольших каса-
тельных напряжений оказались достаточно близкими и лежащими в преде-
лах от х/4 до 1/3 интенсивности нагрузки р0, т. е.
_ 1
^макс. макс 4
1
ИЛИ Т = -75— ,
максе макс 3
При комплексном воздействии на основание разнородных нагрузок, в
частности вертикальных и горизонтальных сдвигающих усилий, значения
тмакс должны быть установлены путем наложения напряжений через нор-
мальные ргн рх , а также касательные ххг напряжения, действующие по вер-
тикальным и горизонтальным площадкам в данной точке от разных нагру-
зок. Напомним, что р2 соответствует вертикальному нормальному напряже-
нию и рх — горизонтальному. Величина гмакс определяется при этом по
выражению (20-21)
^макс 2 ^Pz Рх) "К ^zx '
303
Здесь рг , рх и ъгх соответствуют сумме тех или иных напряжений, воз-
никающих по соответствующим площадкам в данной точке под воздействи-
ем вс:ех усилий, приложенных к основанию сооружения.
Г ДА В А 21
ОЦЕНКА СТЕПЕНИ ПРОЧНОСТИ ГРУНТА В ОСНОВАНИИ
СООРУЖЕНИЯ БЕЗ УЧЕТА НОРМАЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
Роль нормальных напряжений (рп) в повышении прочности грунтов
может сказываться в следующем: а) в увеличении сопротивляемости грун-
тов сдвигу за счет сил внутреннего трения при постоянном значении
угла внутреннего трения vw; б) в снижении влажности глинистых грунтов,
повышении их плотности и, следовательно, в увеличении общей сопротивля-
емости их сдвигу за счет увеличения ; а также связности Еда> а отсюда,
общего сцепления грунта cw.
Повышение сил внутреннего трения за счет рп оказывается возможным
лишь для грунтов, у которых угол внутреннего трения не равен нулю.
К числу таких пород мы относим в первую очередь зернистые (несвязные)
грунты, сопротивляемость которых сдвигу определяется выражением
spn =ptg^п-\~сп, и скрытопластичные глинистые грунты с сопротивляемо-
стью сдвигу spw, определяемой по выражению spw=ptgvw -\~cw,
В связи с тем, что в обоих случаях и срда =^=0, нормальное напряже-
ние рп, будучи сомножителем в первом вещественном члене приведенных
выше зависимостей, ведет к повышению сопротивляемости грунтов за счет
внутреннего трения и, следовательно, к повышению устойчивости грунта.
Вместе с тем вопрос о возможном повышении сопротивляемости сдвигу
грунтов за счет повышения их плотности и снижения влажности возникает
в особых случаях и связывается с вопросом об уплотнении во времени плас-
тичных и скрытопластичных глинистых грунтов, прочность которых связана
с их влажностью (см. гл. 26).
Учет указанного факторам в свете теории плотности-влажности в данном
случае производится косвенным методом, через показатели ис^.
Причем используются по-прежнему известные уже нам выражения: для
скрытопластичных глин—spw=ptg для пластичных глин — sw=Yw с
подстановкой в них значений <рда, cw и Еда , отвечающих некоторому состоя-
нию плотности-влажности грунта, достигнутому на тот или иной момент
времени под воздействием приложенной к грунту нагрузки.
В указанных условиях возможное влияние нормальных напряжений на
сопротивляемость грунта сдвигу за счет сил внутреннего трения может и
должно игнорироваться лишь при оценке прочности и устойчивости таких
пород, у которых угол внутреннего трения практически равен нулю (плас-
304 .
тичные глины) или принимается таковым в силу относительно малого своего
значения в общей прочности грунта (скалистые породы).
Напомним, что для монолитных нетрещиноватых скалистых пород
sc—cc, а для пластичных глинистых грунтов sw=ETO. Очевидно, нормальные
напряжения рп никак не могут практически воздействовать на сопротивля-
емость сдвигу скалистых пород и пластичных глин при заданной, остающей-
ся постоянной плотности-влажности последних.
Резюмируя все отмеченное выше, мы можем сказать, что оценивать сте-
пень прочности и устойчивости в основании сооружений монолитных ска-
листых пород или пластичных глин при заданной плотности-влажности
последних следует без учета нормальных напряжений. Непосредственная
оценка прочности этих пород в разных вариантах возможной формы своего
нарушения определяется (в общем случае) по выражению (19-1)
к ____spw
^зап л-
Очевидно, что устойчивое состояние будет соблюдено при условии s>t.
Задача об оценке прочности грунтов в основании сооружения без учета
нормальных напряжений в соответствии с зависимостью (19-1) может быть
решена в условиях предельного равновесия со все возрастающей точностью
по одному из следующих выражений:
первый вариант (A) з=^макс.макс ; (21-1)
второй вариант (Б) * 5=тмакС; (21-2)
третий вариант (В) s=t5 . (21-3)
В этих выражениях:
макс.макс —максимальное из возможных значений сдвигающих (касатель-
ных) напряжений, (тау максимум максиморум); способных под
данной нагрузкой возникнуть где-либо в основании сооруже-
ния в целом
тмакс — максимальное для заданной точки в основании сооружения
сдвигающее напряжение (тау максимум), отвечающее наи-
более невыгодно ориентированной площадке, проведенной че-
рез эту точку;
т3 — сдвигающее напряжение, возникающее и действующее по не-
которой площадке с заданной ориентацией, проведенной через
некоторую точку в толще основания с заданными координата-
ми х, у, z (общий случай).
Само собой разумеется, что сопротивляемость сдвигу s в приведенных
выше формулах должна отвечать условиям задачи (в заданной точке, по
заданному направлению и т. д.).
Таким образом, первый вариант решения задачи (т:маКс.макс) наименее
трудоемкий и отвечает условию полной изотропности строения толщи
основания и требованию, чтобы во всех точках основания и по всем пло-
305
щадкам, проведенным через эти точки, обеспечивалось соблюдение основ-
ного выражения, т. е. s>t.
Потребность практического использования второго варианта решения
задачи (тмакс) возникает при необходимости оценить степень устойчивости
грунта в некоторой точке основания, оказавшейся наиболее нагруженной
или наиболее ослабленной в связи с природными условиями.
Наконец, решение задачи по третьему варианту (т8 ) отвечает требова-
нию оценки степени устойчивости грунта не только в некоторой точке осно-
вания с заданными координатами, но и по площадке, определенным образом
ориентированной в пространстве или на плоскости. Такая необходимость
может возникнуть, в частности при залегании в толще основания прос-
лоя мягкой пластичной глины с некоторым падением к горизонту.
По первому варианту состояние предельного равновесия грунта будет
описываться выражением (Л);
"макс. макс = Soch » (21*4)
где s0CII — сопротивляемость грунта сдвигу, характерная для всего основа-
ния в целом.
Величина коэффициента запаса при оценке степени прочности грунта по
некоторой площадке, проведенной через заданную точку, в соответствии с
третьим вариантом (В) решения задачи, подлежит определению по выра-
жению
*згп = ~-. (21-5)
< а
Подставляя в эту зависимость значение tj из выражения (20-50), по-
лучим
П St
ZC3an =.........8. . (21-6)
зап Ро sin a sin 2 б '
В выражениях (21-5) и (21-6) язап — коэффициент прочности или устой-
чивости грунта в данной точке по площадке, соответствующим образом ори-
ентированной.
Для практического использования выражения (21-6) предварительно
необходимо определить применительно к главным направлениям величину
угла 8. Это может быть выполнено по рис. 20-15 и выражению (20-46)
5 Я1 Н-а2
Напомним, что для определения значения в любой точке основания со-
оружения х2Х = zx2, т. е. касательных напряжений, действующих по вер-
тикальным и, что особенно важно, горизонтальным площадкам, могут быть
306
с успехом использованы те или иные графики, составленные в относитель-
ной системе координат. В частности, для этой цели могут оказаться полез-
ными графики рис. 20-18 и рис 32-2 составленные для случая действия по
поверхности толщи равномерно распределенных вертикальной р0 и ка-
сательной qQ нагрузок.
Эти графики могут быть с успехом использованы для оценки устойчивос-
ти грунтовой толщи по контактной поверхности горизонтально залегающих
пластов.
В основу решения задачи по варианту (Б) с учетом тмакс положено извест-
ное условие пластичности
SaKc = S (21-7)
ИЛИ
s = Pl^ , (21-8)
где s — сопротивляемость грунта сдвигу в рассматриваемой точке.
Отсюда степень устойчивости грунта или, точнее, его прочность в той
или иной точке основания может быть оценена в общем виде по следующей
зависимости:
^ап = Т±-- (21’9)
Смакс
Для случая равномерной нагрузки это выражение перепишется следую-
щим образом:
Кзап = ----(21-10)
зап ро Sin а 4 '
Пример 4. Требуется оценить степень прочности грунта в точке К
по предшествующему примеру 3 (см. рис. 20-20). Здесь в основании насыпи
залегает грунт, у которого сопротивляемость сдвигу в состоянии природ-
ной влажности зда=0,50 кПсм?. Разбирая этот пример ранее, мы нашли,
что в точке К наибольшее сдвигающее (касательное) напряжение т:макс =
=0,41 кПсм\ По выражению (21-9) величина коэффициента запаса проч-
ности грунта
Таким образом, коэффициент кзап =1,22> 1,0. Следовательно, в точке
К прочность грунта в условиях задачи обеспечивается.
Не всегда решение задачи об оценке степени прочности грунта в основа-
нии сооружения и устойчивости самого сооружения требует такой детализа-
ции. Как это отмечалось ранее, во многих случаях вопрос о запасе прочнос-
307
ти может быть поставлен в зависимость от требования, чтобы прочность и
устойчивость грунта были полностью обеспечены во всех точках толщи осно-
вания при самой невыгодной ориентации проведенных через них площадок
(вариант А решения задачи). Эго требование представляется особенно
оправданным в том случае, если толща является изотропной (однородной),
сам же метод — исключительно полезным при предварительной оценке не-
сущей способности толщи в условиях, требующих или допускающих воз-
можность исключения из расчета нормальных напряжений (пластичные гли-
ны, монолитные нетрещиноватые скалистые породы). Очевидно, что здесь
мы должны оперировать значениями ^макс.макс согласно выражению (20-54)
макс, макс
Задача при необходимости может решаться в двух подвариантах:
Aj — оценки прочности основания с определением величины коэффици-
ента запаса /сзап при заданных значениях приложенной к грунту
нагрузки;
Л2 — определения допустимой (безопасной) нагрузки (рбез) на грунт
исходя из заданных значений структурного сцепления сс для мо-
нолитных нетрещиноватых скалистых пород или связности для
пластичных глинистых грунтов.
В обоих подвариантах в соответствии с условием А в основу положена
известная зависимость (
Тмакс. макс = S°ch- (21-11)
Подставим в это выражение значение хмакс. макс из зависимости (20-54),
тогда для общего случая йы можем написать*
Ро== к ^осн • (21-12)
Переписав последнее выражение применительно к нашей частной задаче
(равномерно распределенная нагрузка), получим для скалистых пород и
пластичных глинистых грунтов соответственно:
Ро = ^с (21-13)
и
= (2Ь14)
Прочность основания оценивается по-прежнему величиной коэффициен-
та запаса «зап .
В общем виде имеем
--------- • (21-15)
макс, макс
* Н. Н. Маслов. Инженерная геология (Основы геотехники), стр. 66. 1941.
308
(21-16)
(21-17)
Учитывая выражения (21-14) и (21-15), получим
а) для скалистых, пород
7ГСг
к = —- ;
зап. ск р,. ’
б) для пластичных глин
те У
__ 71-'-ИЬ
зап . гл д0
Пример 5. К поверхности грунта приложена нагрузка ро=10 Т!м\
или р0 = 1 кПсм2. Основание сложено пластичными глинами, связность ко-
торых =0,5 кПсм2. Требуется оценить степень прочности и устойчивос-
ти основания в целом. По выражению (21-17) имеем
В данном примере коэффициент запаса кзап.гл оказался выше 1, что сви-
детельствует о значительном запасе прочности основания рассматриваемого
сооружения при заданной нагрузке. Очевидно, что при /сзап.гл < 1 мы стол-
кнулись бы с положением, когда требование о безусловной прочности осно-
вания во всех его точках не было бы удовлетворено. Необходимо отметить,
что выражения (21-13) и (21-14) составлены с соблюдением очень строгих
требований. Нами введено в расчет абсолютно наибольшее значение ка-
сательного напряжения т:макс. макс, однако без учета направлений
площадок, по которым это напряжение действует. Очевидно, что при этом
выражения (21-13) и (21-14) фактически не соответствуют предельному со-
стоянию и записаны с известным запасом. Ясно, что установление пре-
дельного значения нагрузки рпред по этим выражениям также сопряжено
с некоторым, часто большим запасом. В связи с этим весьма полезно ввес-
ти в наш анализ новое понятие о безопасной нагрузке на грунт.
Под безопасной нагрузкой р&>3 мы будем впредь подразумевать нагрузку,
определенную со значительным запасом и поэтому заведомо допустимую для
данного сооружения. Установление реез во многих случаях оказывается бо-
лее чем полезно, так как позволяет в определенных условиях отказаться от
более детальных расчетов.
Такое положение может сразу же создаться, когда нагрузка р^сз окажет-
ся выше необходимой для сооружения (рСооР), установленной исходя из
конструктивных соображений.
Безопасная нагрузка рбез в нашей интерпретации отвечает нагрузке
в состоянии предельного равновесия (см. выражения 21-13 и 21-14), т. е.
при /Сзап =1- Исходя из этого мы можем написать:
а) для скалистых пород
Р^ез. ск " *1 ^загл > (21”1<Т
309
б) для пластичных глин
^без. гл = *Г^загл» (21-19)
Члены •уйзагл добавляются к правой части выражений (21-18) и (21-19)
для учета влияния на допускаемую нагрузку в подошве фундаментов веса
вынутой из котлована земли при заглублении фундаментов /цагл и объ-
емном весе грунта -р
Полезность понятия о безопасной нагрузке можно показать на следую-
щем примере.
Требуется оценить возможность передачи на грунт в основании проек-
тируемого сооружения нагрузки рсоор = 15 Т/м2, или рсоор =1,5 кГ/см2.
Основание сложено одной из разновидностей плотных пластичных глин.
Связность грунта, отвечающая его природному состоянию плотности-влаж-
ности, Еда=1,25 кГ/см2.
Но выражению (21-19) имеем: рбез.гл = =3,14-1,25 =3,95 кГ/см2
или рбез.гл =39,5 Т/м2. Из этого расчета следует, что рбез.гл значительно боль-
ше потребной для проектируемого сооружения нагрузки рсоор (39,5> 15 Т/м2).
Следовательно, нагрузка рсоор=15 Т/м2 безусловно может быть допущена, и
никаких дополнительных расчетов в данном случае уже не требуется.
Приведенные выше выражения для оценки прочности грунта без учета
влияния нормальных напряжений могут с некоторым дополнительным за-
пасом с успехом использоваться и в случаях, когда угол внутреннего трения
грунта <pw оказывается малым и лежит в пределах 5—7°.
ГЛАВА 22
ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ ГРУНТОВ В ОСНОВАНИИ СООРУЖЕНИЙ
С УЧЕТОМ НОРМАЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
Критерий предельного состояния
Излагаемый ниже метод относится к грунтам, сопротивляемость которых
сдвигу sp или spw, помимо состояния плотности-влажности грунта, связа-
на также с величиной воздействующего на грунт нормального напряжения
(рп или р). К таким породам относятся все грунты, в прочности которых су-
щественную роль играют силы трения, т. е. грунты, которые характеризу-
ются определенными величинами углов внутреннего трения, не равными
нулю (©7=0).
Таким образом, необходимость учета нормальных напряжений при оцен-
ке прочности грунта в основании сооружений относится в первую очередь
к сыпучим (несвязным) и скрытопластичным глинистым грунтам. Папомним,
что сопротивляемость сдвигу sp или spa, этих пород выражается следующими
зависимостями:
310
а) для сыпучих (несвязных) грунтов (см. формулу 8-7)
spn. = р^^п +
б) для скрытопластичных глинистых грунтов (см. формулу 8-26)
Spw Р Фто +
Обратимся прежде всего к рассмотрению вопроса об устойчивости грун-
та по некоторой элементарной площадке, проведенной через заданную точку
и соответствующим образом ориентированной (по углу о).
Степень устойчивости (прочности) грунта в данном случае определяется
отвечающим ему значением коэффициента запаса /сзап по выражению (21-5)
______. sa
^зап —Т °
з :
Подставив в это выражение соответствующее ему значение sp или spw
из приведенных выше зависимостей (8-7) или (8-26), обозначая нормальные
к заданной площадке напряжения через р6> получим соответственно:
а) для сыпучих (несвязных) грунтов
б) для скрытопластичных глинистых грунтов
P5tS^. (22-2)
О
В выражениях (22-1) и (22-2) видна прямая зависимость степени устой-
чивости (прочности) грунта от нормального напряжения р&, причем эта за-
висимость осуществляется через сопротивляемость грунтов сдвигу.
Таким образом, возникает необходимость при оценке устойчивости осно-
ваний сооружений, проектируемых на сыпучих (несвязных) или скрытоплас-
тичных глинистых грунтах, учитывать нормальные напряжения , возни-
кающие и действующие в грунтовой толще.
При оценке степени прочности грунта в некоторой точке толщи приходит-
ся исходить из минимальных значений /сзап.сьш или /сзап.гл по выражени-
ям (22-1) или (22-1). Задача осложняется необходимостью ее решения при
относительно наиневыгоднейшем соотношении величин р$ и .
Рассмотрим этот вопрос в первую очередь применительно к рыхлым сы-
пучим грунтам (сс=0). Как известно, сопротивляемость таких сыпучих
грунтов сдвигу описывается зависимостью (8-8): spn =ptg
В порядке некоторого моделирования условий устойчивости грунта на
элементарной площадке обратимся к рис. 22-1. Представим себе, что на
311
плоскости аа лежит невесомое тело с такой же нижней поверхностью. На
тело под некоторым углом 0 к вертикали действует полное напряжение
Рполн- Напомним, что угол©, как образованный линией действия полного
напряжения рп и нормалью к рассматриваемой площадке, носит название
угла отклонения (см. рис. 20-4). Очевидно, что
tg© = ^-. (22-3)
Рп
Разложив полное напряжение рполн на нормальную рп и касательную
т составляющие, получим:
Г
Рис. 22-1. Условия пре-
дельного равновесия эле-
мента грунта на некоторой
площадке
Рп = Рполн cos © ; (22-4)
T = Pn0.4Hsin@. (22-5)
Под влиянием сдвигающего (касательного)
напряжения т создается потенциальная возмож-
ность сдвига рассматриваемого тёла по плос-
кости аа. Однако этому сдвигу препятствуют си-
лы трения г, возникающие по контактной по-
верхности подошвы тела и плоскости. В рас-
сматриваемых условиях в соответствии с выра-
жением (8-8) имеем
г = Рп tg (22-6)
или, учитывая выражения (22-4),
== Рполн cos 0 tgqv
В состоянии предельного равновесия.
т = г.
(22-7)
(22-8)
Подставим в это выражение значения г и т из выражений (22-5) и (22-7)
и произведем элементарные преобразования. Тогда получим
----п == ср„. (22-9)
COS 0 & г п ' 7
Следовательно,
tg0 = tgfprt (22-10)
и, наконец,
® = (22-11)
Таким образом, оказывается, что возможность сдвига рассматриваемого
элемента по плоскости аа обусловливается совсем не величиной приложен-
ной к нему силы Рполн, а лишь углом наклона действия этой силы.
312
Развивая это положение, следует признать, что устойчивость рыхлых
сыпучих масс грунта в основании сооружения определяется лишь соотно-
шением величин угла отклонения 0 и внутреннего угла трения грунта ®.г.
Здесь следует отметить, что угол 0 даже для одной и той же точки в
основании сооружения не остается постоянным и изменяется при перемене
ориентации площадок, проведенных через эту точку. Указанное положение
иллюстрируется рис. 22-2,
из которого видно, что для
главных направлений угол
отклонения 0 равен нулю,
а по всем иным площадкам
угол 0 отличается от нуля.
При некоторой наибо-
лее невыгодной ориентации
площадки угол отклонения
0 для данной точки, есте-
ственно, достигает своего
абсолютно наибольшего
значения 0макс. Таким об-
разом, угол отклонения 0
в зависимости от ориента-
ции рассматриваемой пло-
щадки может меняться в
пределах О<;0<10макс. При
оценке степени устойчиво-
сти грунта в некоторой
Рис. 22-2. Изменение угла отклонения 0 при раз-
личной ориентации площадок, проведенных через
заданную точку
точке основания мы, естественно, должны считаться с максимально воз-
можной величиной угла отклонения, т. е. 0маКс-
Для рассматриваемого случая выражение предельного равновесия (22-11)
приобретает такой вид:
\ 0макс=ЛУ V (22-12)
Из этого выражения явствует, что состояние предельного равновесия рых-
лого сыпучего грунта в некоторой точке основания сооружения характеризу-
ется равенством отвечающих этой точке угла наибольшего отклонения
©макс и угла внутреннего трения грунта ф/г .
Очевидно, что при 0макс >? устойчивость грунта в данной точке наруша-
ется. Такие зоны, где устойчивость грунта не обеспечена, где грунт не мо-
жет оказать надлежащего сопротивления касательным (сдвигающим) напря-
жениям, мы называем областями запредельного напряженного состояния, или
областями разрушения. Вместе с тем, при условии 0MaKC<© имеет место
устойчивое состояние грунта с некоторым запасом (допредельное состояние).
313
Отметим, что критерий ©макс=ср в области изучения несущей способности
основания впервые был выдвинут и использован нашими учеными П. А. Ми-
няевым и Н. П. Пузыревским.
Условия определения угла наибольшего отклонения ©макс
Рыхлые сыпучие грунты. Обратимся к рис. 22-3, где на главных напря-
жениях pi и р2 построен круг Моора. Соединив изображающую точку D
с началом О координатной системы, получим прямоугольный треугольник
OFD. Оба катета (рп и т) в нем
известны и по своей величине
при заданных значениях pi и р2
определяются ориентацией пло-
щадки (угол in = 28). Найдем из
этого треугольника
угла р. Имеем:
лов отклонения 0 в зависимости от ориен-
тации площадок
значение
(22-13)
W = y-
Рп
Сопоставив это выражение с
уже известной нам зависимостью
tg© = — (см. формулу 22-3),
Рп
можем написать: [3=0. Таким
образом, имеется возможность
определить угол 0а по заданным значениям главных напряжений pi и
р2 для ориентированных любым образом площадок по кругу Моора.
Вместе с тем из того же построения очевидно, что
'макс
®макс
(22-14)
Другими словами, угол наибольшего отклонения ©макс на диаграмме
Моора определяется величиной угла между осью абсцисс и касательной к
кругу Моора, проведенной через начало координат (изображающая точка в
положении С на рис. 22-3).
Из выполненного построения явствует, что угол наибольшего откло-
нения 0макс соответствует углу, образованному осью абсцисс с касательной
к кругу в точке С. Как видим, ©макс не отвечает площадке, по которой дей-
ствует гмакс (угол и>90°). Радиус-вектор ЕС образует в точке С с касатель-
ной прямой угол, и, следовательно, в связи с перпендикулярностью соответ-
ствующих сторон угол ВЕС = ©макс-
Таким образом, угол отклонения © в данной точке, определяемый глав-
ными напряжениями pi и р2, достигает своего наибольшего значения © макс
на площадке, отвечающей углу
314
co = 2a = 900 + @MaKCS (22-15)
т- e- / 0 \
8= 45° +-^p- . (22-16)
Обозначим через опр угол, определяющий ориентацию площадки, отве-
чающую в данной точке состоянию предельного равновесия. Тогда, учитывая
выражение (22-12,) мы можем написать
a„p = (45°+Hr) • (22-17)
Отсюда следует, что в условиях предельного равновесия площадка,
по которой может произойти сдвиг грунта, образует своей нормалью с на-
правлением большего главного напряжения угол 8пр = ^45° + или,
что то же самое, с самим этим направлением угол, как дополнение до
прямого угла:
8;р=±(45’-------у). (22-18)
Напомним, что для твердого тела опр =45° соответствует ориентации пло-
щадки, отвечающей хмакс.
Выразим величину угла наибольшего отклонения 0макс через главные
напряжения Pi и р2.
Обратимся снова к рис. 22-3. Найдем величину угла0макс из прямоуголь-
ного треугольника ОСЕ. В этом прямоугольном треугольнике известны по
построению гипотенуза ОЕ, определяющая собой расстояние центра круга
от начала координат, и катет ЕС, равный радиусу круга Моора. В связи
с этим имеем
ДуРг = + Рг sin 0ма|1С: (22-19)
Таким образом,
sin 0макс = (22-20)
Р1 ~Т~ Р2
В состоянии предельного равновесия 0макс = ив этом случае выра-
жение (22-20) принимает следующий вид:
Sin<p„ = -M-. (22-21)
Это выражение, к которому мы пришли ранее другим путем (см. зависи-
мость 8-9), отвечает известному условию пластичности сыпучих тел.
315
Напишем снова выражения для главных напряжений Pi и р2 через угол
видимости а [см. формулы (20-31) и (20-33)]:
Pi= -^-(а -{-sin а);
р2= — sin а).
Подставим значения pi и р2 из этих зависимостей в выражение (22-21).
После простейших преобразований получим
Sin ©маке = • (22-22)
Это выражение показывает, что угол наибольшего отклонения ©макс
для некоторой заданной точки в рассматриваемом случае (равномерно рас-
пределенная нагрузка, плоская задача) зависит лишь от угла видимости
а, отвечающего данной точке.
Отсюда вытекает весьма важный вывод, что известные уже нам «круги
напряжений» по рис. 20-13 являются, кривыми не только равных углов
видимости а, главных напряжений pi и р2 и наибольших касательных на-
пряжений ^макс, но одновременно и углов наибольшего отклонения Нмакс.
Значения 8макс нанесены на соответствующих окружностях a =const
и приведены в табл. 20. Эти данные дают возможность найти величины углов
©макс Для любой точки загруженной толщи через значения углов видимос-
ти а или через относительные координаты v и d изложенным ранее способом.
Как мы уже знаем (см., например, рис. 20-17), на поверхности толщи
по оси Z главные напряжения Pi=p2 и угол видимости а =тс =180°. Под-
ставим эти значения соответственно в выражения (22-20) и (22-22). Тогда
получим:
sin ©макс = -° = 0 й (22-23)
Р1 "Г Р2
sin6MaKC = ^^ = 0- (22-24)
Оба эти выражения, как и следовало ожидать, приводят к одному и
тому же результату: на поверхности толщи по оси симметрии угол в макс =0.
Этот вывод полностью отвечает господствующему здесь гидростатическому
напряженному состоянию, при котором Pi=p2 и т=0- В этом случае, как
известно, эллипс напряжений обращается в круг, радиус-вектор которого
во всех точках касания является нормальным к касательной. Такому поло-
жению отвечает значение 0макс=О и вытекающее отсюда следствие: т=0.
Обратимся снова к выражению (22-22). С увеличением глубины зале-
316
гания рассматриваемой точки, т. е. с увеличением ее ординаты г, угол ви-
димости а стремится к нулю. В этом случае по выражению (22-22) мы имеем
sin вмакс = - = 4 • (22-25)
Раскроем эту неопределенность по правилу Лопиталя. Для этого найдем
предел отношения производных числителя и знаменателя выражения
(22-22) при стремлении угла а к нулю:
lim sjn0макс = — = cosa=l. (22-26)
Очевидно, что этому условию отвечает значение 0макс=9О°. Следова-
тельно, на больших глубинах грунт находится в состоянии одноосного на-
пряженного состояния, при котором второе главное напряжение р2=0.
Из аналитической геометрии известно также, что угол отклонения 0
в любом эллипсе связан некоторой зависимостью с его полуосями. Для эл-
липса напряжении эта зависимость приобретает вид
х = = tg2 (45° + . (22-27)
р2 \ /
Из этого выражения более формальным путем могут быть получены уже
сделанные ранее выводы о значениях 0маКс —О при pi=p2 и 0макс =90°
при р2=0. Вместе с тем это же выражение позволяет сделать еще один, весь-
ма важный для практических целей вывод об увеличении угла наибольшего
отклонения 0маКс с увеличением вытянутости эллипса напряжений. А это
означает, что при прочих равных условиях в тех зонах толщи, для которых
большее главное напряжение pi по своему значению заметно превышает
меньшее (рР^р?), грунт находится в более напряженном состоянии.
Выражение (22-22) служит для опредёления угла наибольшего откло-
нения при равномерном распределении нагрузки на поверхности толщи.
Зависимость (22-20) носит уже совершенно общий характер и может быть
использована при любой форме нагрузки, для которой имеются формулы*
для определения главных напряжений pi и р2.
В некоторых случаях может возникнуть необходимость определения
угла наибольшего отклонения 0макс при комбинированной нагрузке. С
этим мы сталкиваемся, например, при воздействии на толщу помимо верти-
кальной нагрузки от веса сооружения также и горизонтального усилия от
давления воды или земли и т. д. Вследствие несовпадения главных направле-
ний при различных формах нагрузок исключается возможность использо-
* Ряд формул для определения главных напряжений при различных формах
нагрузок (восемь случаев) приводится в книге Н. Н. Маслова «Прикладная механика
грунтов» (стр. 139^—150) 1949.
317
вания в этом случае формулы (22-20) с суммированием главных напряжений
от разных нагрузок. В этом случае для определения ©макс может быть ис-
пользована следующая формула:
sin2 0иакс = (22-28)
\Pz г Рх)
Здесь рг и рх — соответственно вертикальное и горизонтальное нормаль-
ные напряжения;
и — касательные напряжения, действующие по горизонталь-
ной и вертикальной площадкам.
Формула (22-28) получается из выражения (22-20) простой подстановкой
в нее значений главных напряжений рх и р2, выраженных через pz , рх и
xzx =xxz по зависимости (20-18).
В данном случае направление действий всех напряжений строго ориен-
тировано (оси Z и X). Это позволяет при использовании выражения (22-28)
применить в подобающих случаях принцип наложения напряжений. С уче-
том этого мы будем иметь
(S pz— S п,.)а + 4 S X.
sin вм«кс= (22-29)
В этом выражении ^pz , 1±рх и представляют собой суммы верти-
кальных и горизонтальных нормальных напряжений, а также суммы каса-
тельных напряжений ххг возникающих в некоторой точке толщи от
порознь взятых нагрузок, совместно воздействующих на сооружение.
Учет собственного веса грунта. Как уже отмечалось выше, величина
угла внутреннего трения рыхлого сыпучего грунта кладет с точки зрения
прочности грунтовой толщи жесткий предел допустимой вытянутости эл-
липса напряжений. Из рассмотрения общей картины напряженного состоя-
ния поля (см. рис. 20-17) явствует, что вытянутость эллипсов напряжений,
а с ней и величины углов наибольшего отклонения ©макс все больше и
больше возрастают с удалением изучаемой точки в глубину и в стороны от
загруженного участка. Отсюда возникает на первый взгляд парадоксаль-
ный вывод, противоречащий строительной практике и логике, об уменьше-
нии прочности грунта с удалением рассматриваемой точки от места прило-
жения нагрузки к грунту. Еще более отчетливо это положение выступает
при рассмотрении рис. 20-13.
. Угол 0Макс возрастает с уменьшением угла видимости а, т. е. с увели-
чением радиуса круга напряжений, от нуля на поверхности и до 90° при
а=0. Вместе с тем известно, что угол внутреннего трения сыпучих грунтов
в большинстве случаев лежит в пределах от 26 до 35°, лишь в редких случаях
повышаясь для неоднородных крупнообломочных разностей (гравелисто-
галечниковые и щебенистые грунты) до 40° и выше.
318
Отсюда следует естественный вывод о возможности во всех случаях
провести круг напряжений с радиусом, отвечающим значению 0маКс
Мы уже знаем, что это условие отвечает состоянию предельного равновесия
грунта.
Таким образом, проведенная нами окружность разграничивает две
зоны: внутреннюю, ближайшую к загруженному участку, где угол 0Макс<?л
и где грунт находится в устойчивом, с некоторым запасом, состоянии, и
внешнюю, т. е. более удаленную зону, где угол 0Макс>?и и где, следова-
тельно, прочность грунта нарушена (пластическая область).
породы, перекрывающей данный го-
И в этом случае мы стал-
киваемся с отмеченным выше
парадоксальным явлением.
Этот парадокс объясняется
тем, что в анализ не было
включено такое постоянное
свойство грунта, как его соб-
ственный вес, и полностью
игнорировалась возможность
проявления в грунте неко-
торой связности и структур-
ного сцепления.
Обратимся к рис. 22-4.
На любой глубине от по-
верхности грунтовой толщи
и в том числе на глубине z за-
легания некоторого горизонта
АА грунт находится под воз-
действием собственного веса массы породы, перекрывающей данный го-
ризонт. Этот вес создает в уровне АА некоторое давление, определяющее
природную нагрузку рпр. Очевидно, что
Рпр Тср^’
(22-30)
где 7ср — осредненный объемный вес грунта в перекрывающей толще.
Приближенно, без особых погрешностей, можно принять, что воздей-
ствие собственного веса грунта на толщу в целом подчиняется гидростати-
ческому закону распределения напряжений. При этом условии главные на-
пряжения от собственного веса толщи р'± и р'2 равны друг другу и вместе
с тем равны природной нагрузке рпр, т. е.
1р;=р2=р»р’
(22-31)
что подтверждается также известным нам положением о гидростатическом
распределении напряжений на контакте поверхности грунтовой толщи
с нагрузкой. Как известно, здесь, на оси симметрии, эллипс напряжений
319
превращается в круг напряжений, характеризующий проявления гидростати-
ческого закона распределения напряжений (см. рис. 20-17). Вместе с тем лю-
бой горизонт от поверхности толщи мы можем рассматривать как поверх-
ностный, несущий вес перекрывающей толщи как равномерно распреде-
ленную нагрузку с интенсивностью р0, безгранично простирающуюся во
все стороны. При этом условии любая вертикальная ось будет осью симмет-
рии и в любой точке воображаемой поверхности будет соблюдено условие
(22-31).
Указанное положение иллюстрируется рис. 22-4. При гидростатическом
законе распределения напряжений напряжения в данной точке оказывают-
ся равными по всем направлениям. В данном случае это позволяет нам ис-
пользовать принцип наложения главных напряжений путем суммирования
главных напряжений от внешней нагрузки и р2 с напряжениями р\ =
=р'2=рпр от веса перекрывающей толщи грунта.
Напряжения p'j —/У2=рпр, накладываясь па эллипс напряжений от
внешней нагрузки, уменьшают его вытянутость. Это обусловливается тем,
что напряжения от собственного веса грунта в гидростатических условиях
увеличивают в каждой точке нормальные напряжения (на данной глубине
на одну и ту же величину) и не изменяют действующих здесь касательных
напряжений. В данных условиях эллипс напряжений становится более
«полным», Омаке уменьшается и риск возможного нарушения устойчивости
грунта в данной точке заметно снижается.
В свете приведенных выше соображений определение угла наибольше-
го отклонения 0макс для некоторой точки основания на глубине z от по-
верхности, характеризуемой главными напряжениями от внешней нагрузки
Pt и р2 с учетом собственного веса грунта, может быть выполнено нало-
жением на главные напряжения в выражении (22-20) напряжений от соб-
ственного веса грунта рлр. Сделав это наложение, получим
cin А (pi Ь Рпр) (Ра Ь Рпр) ('22-32»
ЯПО,1К- (Pl + р„р) + (й + р„р) (22 32)
Подставим в это выражение значение рпр из зависимости (22-30). Тогда
выражение (22-32) перепишется окончательно в следующем виде:
sin ечакс =---------------- (22-33)
макс Pi + Р2-Ь27срг v '
Знаменатель выражения (22-33) по сравнению с выражением (22-20)
непрерывно увеличивается по мере увеличения заглубления z на 2ycpz.
Это ведет к уменьшению с глубиной угла 0маКс и одновременному повыше-
нию степени прочности грунтовой толщи.
Так, учетом собственного веса грунта разрешается отмеченный выше
парадокс, связанный с оценкой степени прочности и устойчивости грунто-
вой толщи.
320
Рассмотрим вопрос об объемном весе грунта уср. Как известно, объемный
вес грунта 7W определяется его минералогическим составом (удельный вес
слагающих породу частиц или зерен 70), степенью однородности, плотностью
(по пористости и) и влажностью w. В подводном состоянии вес грунта умень-
шается за счет эффекта гидростатического взвешивания.
При пластовой структуре толщи основания слагающие пласты при раз-
личной мощности /1, 1%, /3 и т. д. могут отличаться различными объемными
весами 71, 72, 73 и т. д. Очевидно, что средний объемный вес грунта 7ср
в перекрывающей толще мощностью г=/14-/2+/3-4-... может быть легко
найден по выражению
„ TA + W2 + 7зй? + • • • /99
/, + /2+/3 + ... •
ЙЬ
При однородном строении толщи 7ср будет равен объемному весу поро-
ды при данной ее влажности ш, т. е.
Yep = Т®» (22-35)
Напомним, что объемный вес грунтов в зоне выше уровня грунтовых
вод обычно близок к 2 Т!м3, но он резко меняется при залегании грунта ниже
уровня грунтовых вод (в затопленном состоянии). В этом случае на грунт
действует взвешивающее воздействие подземных вод в соответствии с зако-
ном Архимеда.
Объемный вес 7В зернистых и обломочных (кластических) пород, подоб-
ных песку, гравию, гальке, щебню и т. д., в подводном состоянии опреде-
ляется по выражению
Ь = (ъ~-Ав)(1-< (22-36)
Здесь 7о— удельный вес зерен, слагающих породу (обычно в пределах
2,65—2,70 Т/м3);
Ав— объемный вес воды, равный 1 Т/м3;
п, — пористость грунта в долях единицы (обычно 0,35 •— 0,45).
Так, например, при удельном весе песка 70=2,65 и пористости песка
40%, или ц=0,40, мы по формуле (22-36) получим
7В = (2,65 — 1)(1 — 0,4) 1 Т/м3.
Для глинистых и монолитных скалистых пород, проникновение воды
в поры которых затрудняется, объемный вес ув в подводном состоянии
определяется по формуле
Тв = (г®-Ав)} (22-37)
где 7Ш — объемный вес породы при влажности w в надводном состоянии.
11 Заказ № 549
321
Ро
В
Очевидно, что при объемном весе глинистого грунта с природной влаж-
ностью w в надводном состоянии =2,05 Т/м3 его вес в подводном поло-
жении по выражению (22-37) будет
7В = 2,05 — 1 = 1,05 Т/м\
Отметим, что объемный вес грунтов в подводном состоянии обычно
близок к 1 Т/м3. Таким образом, оказывается, что затопление толщи грунтов
при повышении уровня грунтовых вод резко снижает их объемный вес (поч-
ти в 2 раза). В соответствии с выраже-
нием (22-33) это ведет к значительному
понижению несущей способности осно-
вания сооружений и может явиться
причиной их аварии.
Из этого ясно, какое большое зна-
чение для устойчивости грунтовой тол-
щи имеет положение уровня грунтовых
_ вод, затапливающих эту толщу.
Учет заглубления фундамента соо-
ружения. Заглубление фундаментов соо-
ружений, т. е. заложение их подошвы
на некоторой, иногда весьма значитель-
ной глубине от поверхности толщи, яв-
наиболее простых и эффективных меро-
приятий по повышению несущей способности грунтовой толщи.
Допустим, что фундамент сооружения заложен при заглублении от
поверхности на /гзагл (рис. 22-5). В этом случае нагрузка от сооружения
рсоор приложена к грунту в уровне СС. Примем фиктивно, что сооружение
возведено на поверхности грунтовой толщи в уровне ВВ, и введем в расчет
вес слоя грунта с мощностью Азагл. В этом случае расчетная нагрузка на
грунт р0 в уровне С С определится из условия
Ро :==1 Рсоор 7 ^загл° (22-38)
Это условие вытекает из очевидного положения, что
Рсоор Ро З- 7 ^загл" (22-39)
£
Рсоор
5
В
А
Рис. 22-5. Расчетная схема к учету
заглубления сооружения
С
"А
ляется одним из принципиально
Таким образом, вопрос об учете заглубления сооружения сводится
к уже рассмотренной нами задаче об учете при оценке несущей способности
толщи веса перекрывающих масс грунта. Мы вынуждены при этом считать-
ся лишь с увеличением природной нагрузки рпр на рассматриваемом гори-
зонте АА за счет веса слоя грунта мощностью Лзагл. Тогда (см. рис. 22-5)
Рпр 7ср^ 7ср (^ “Т" ^загл)’ (22-40)
322
Здесь z — по-прежнему глубина залегания рассматриваемого горизонта АА
ниже уровня фактического приложения к грунту нагрузки
рсоор, т. е. ниже подошвы фундамента сооружения.
При указанном выше условии мы можем переписать выражение (22-33)
для определения угла наибольшего отклонения 0маКс, с учетом не толь-
ко веса грунта, но и величины заглубления фундамента Лзагл в следующем
виде:
sin©MaKC = ^—-EFEEla—v • (22-41)
Р1 + р2 + 2уСр (z + ^загл)
Главные напряжения Pi и р2 в данном случае устанавливаются исходя
из значения р0 по выражению (22-38).
Величина Азагл входит в знаменатель формулы 22-41. Следовательно,
увеличение глубины заложения сооружения Азагл влечет за собой умень-
шение угла отклонения 0макс и, как следствие, повышение прочности ос-
нования и самого сооружения. Отсюда вытекает принципиальная возмож-
ность для любой точки основания соблюсти условие 0макс<^<р соответст-
вующим заглублением сооружения и тем самым обеспечить надлежащую
устойчивость проектируемого сооружения даже на грунтах с низкой несу-
щей способностью.
Вопрос об использовании этого эффективного в общем случае меро-
приятия разрешается с учетом экономических и технических преимуществ
того или иного варианта обоснования сооружения.
Условия определения 0макс с учетом сцепления в грунте
До сих пор наша задача рассматривалась применительно к рыхлым
сыпучим грунтам, не обладающим никаким сцеплением или связностью
(Еда = 0 и сс — 0). Однако в большинстве случаев грунты характеризуются
некоторым сцеплением, и этот фактор необходимо при оценке устойчивости
оснований сооружений в общем случае учитывать.
Общая форма выражения сопротивляемости s грунта сдвигу определяет-
ся уже известной нам зависимостью s = ptgtp + с. Для учета сцепления с
грунтом при определении угла наибольшего отклонения 0 макс используем
снова некоторый искусственный прием: заменим сцепление с в грунте
дополнительными силами внутреннего трения при заданном значении самого
угла внутреннего трения ср. Таким образом, мы снова придем к использо-
ванной в наших выводах зависимости сопротивляемости сдвигу spn грунтов,
не обладающих сцеплением (см. формулу 8-8)
spn =
Однако для замены s на spn нормальное напряжение р в формуле (8-8)
должно быть соответствующим образом увеличено. Допустим, что это уве-
11* 323
личение достигается за счет веса дополнительного слоя грунта hc, повы-
шающего природную нагрузку рпр на рассматриваемом горизонте, например
на горизонте АА по рис. 22-4 и 22-5 на величину
дРлр = 7ср^с- (22-42)
Таким образом, наша задача будет решена, если мы найдем величину
h., удовлетворяющую нашему условию, и подставим в выражение (22-41)
вместо z новую величину
z' = zA-hc, (22-42')
Величина hc определится из условия равнозначной замены сил сцепле-
ния в грунте сп силами внутреннего трения г, называемыми весом столба
грунта с объемным весом уср и высотой hc. С учетом этого мы можем напи-
сать
с = Тер К tg <рй, (22-43)
где tg<p— коэффициент трения, отвечающий углу внутреннего трения
грунта , принятого в основном расчете.
Из выражения (22-43) получим
Ас =-------?-----.
Yep tg <?Л
(22-44)
Отсюда, исходя из (22-41), выражение для определения 0макс в общем
виде с учетом собственного веса грунта, заглубления сооружения и сцепле-
ния в грунте мы можем написать в такой форме:
sin 0 =____________________________________
макс Р1 Ч- р2 -Ь 2 ;ср (г + йзагл + йс) *
(22-45)
Входящее в это выражение hz подлежит предварительному определе-
нию по формуле (22-44).
Очевидно, что наличие в грунте сцепления приводит к повышению
прочности основания наравне с увеличением заглубления сооружения.
Вместе с тем ясно, что оба фактора (заглубление и сцепление) могут
друг друга взаимно компенсировать. В частности, при значительном сцеп-
лении в породе устойчивость сооружения может быть обеспечена в полной
мере даже при высокой нагрузке на грунт без всякого его заглубления.
С таким положением мы встречаемся при обосновании сооружений на ска-
листых породах.
При необходимости использования для определения 0макс в условиях
сложной загрузки грунтовой толщи выражения (22-29) учет собственного
веса грунта, заглубления сооружения и сцепления в грунте осуществляется
описанным выше способом. При этом следует иметь в виду, что при гидро-
324
статическом законе распределения напряжений дополнительные напря-
жения, например от природной нагрузки рпр, по горизонтальным и верти-
кальным площадкам сохраняют свою величину. Вместе с тем значения
касательных напряжений по этим площадкам т2Х=тх2, так же как и по
любым другим, естественно, равны нулю.
После соответствующих подстановок выражение (22-29) для опреде-
ления угла ©максс учетом собственного веса грунта, заглубления сооруже-
ния и сцепления в грунте приобретает следующий вид:
(S р2 — s рху + 4 S т2
Sin2 ©макс = [S^+2^ + 2kp (2 + /г + /гс) | " (22-46)
В этом выражении напряжения р2 ,рх и t2x относятся к напряженному
состоянию толщи, вызванному внешней, в том числе сложной (комбиниро-
ванной) нагрузкой.
Линии одновременного разрушения и области
предельного напряженного состояния
Формулы (22-44) — (22-46) позволяют нам найти значения углов наи-1
большего отклонения 0макс для любой точки толщи основания при раз-,
личных исходных условиях.
Определив таким образом для ряда точек в основании сооружения
значения 0макси расположив их для удобства по некоторой сетке, мы можем
соединить точки с равными значениями 0макс плавными линиями. Полу-
ченные таким образом линии 0макс = const носят наименование линий од-
новременного разрушения (по Н. П. Пузыревскому). Характер этих линий
для различных случаев иллюстрируется* рис. 22-6 — 22-10.
Как уже известно, критерием состояния предельного равновесия для'
рассматриваемого случая (ср„ =£= 0; cp^^tO) является соблюдение условия
©макс = <Р« (см. формулу 22-12).
Располагая для некоторого частного случая картиной распределения
линий 0макс = const, мы легко можем выделить в основании сооружения
области предельного напряженного состояния (области разрушения) по
принципу, что все включенные в эти области точки характеризуются зна-
чениями ©макс>?- Очевидно, что линия одновременного разрушения,
отвечающая условию ©Макс=?> будет контурной (ограничивающей) линией
области разрушения. Такое построение в виде примера выполнено на
рис. 22-6, где приведена картина распределения линий одновременного
разрушения для некоторого частного случая загрузки основания.
* Описываемый метод является принципиально наиболее простым. Существуют
и иные методы построения линий равных ©макс, основанные на теоретических выводах.
Описание этих методов, как более формальных, здесь опущено (см.: Н. Н. М а с л о в.
Прикладная механика грунтов, стр. 134—139).
325
Для определения степени распространения областей предельного на*
пряженного состояния здесь угол внутреннего трения грунта принят
вначале <э = 10°. Как видим, эти области в данном случае получают зна-
чительное развитие, угрожающее устойчивости сооружения (вертикальная
штриховка). При повышенном значении угла внутреннего трения, напри-
мер при © = 25°, области разрушения резко уменьшаются, концентрируясь
лишь в ближайших к сооружению краевых зонах (горизонтальная штри-
ховка).
Рис. 22-6. Линии равных углов наибольшего отклонения
(6макс= const) и области разрушения при cpi= 10° и <рг=
== 25°. Частный случай: ширина загруженного участка
2Ь — 40 м, нагрузка ро = 2 кПсм\ объемный вес'грунта
7 = 1,6 77.и3, с = 0.
Анализ показывает, что развитие в основании сооружения областей
запредельного напряженного состояния, т. е. областей разрушения, опре-
деляется:
а) свойствами грунта (fcp, ф и с);
б) шириной загруженного участка (2 />);
в) интенсивностью приложенной к грунту нагрузки (р0);
г) величиной заглубления сооружения (Азагл);
д) формой нагрузки (равномерное распределение, по закону треуголь-
ника и т. д.).
Само собой разумеется, что области разрушения получают в основании
сооружения более значительное, развитие при грунтах с низкой несущей
способностью (малые величины ф, с и чср) и при высокой интенсивности
приложенной к грунту нагрузки р0.
326.
линии ©макс = const замыкаются в толще
•IZ
Рис. 22-7. Линии равных углов наибольшего
отклонения (0макС = const) по В. А. Флорину
при отсутствии заглубления (правая сторона
рисунка) и наличии заглубления сооружения
(левая сторона)
Различаются две формы областей предельного напряженного состоя-
ния: открытая и закрытая. При открытой форме этих областей
линии одновременного разрушения не замыкаются и выходят на поверх-
ность грунтовой толщи (правая сторона рис. 22-7). Такая форма свойственна
незаглубленному сооружению и сыпучим грунтам без сцепления (с =0).
При закрытой форме
грунта (левая сторона рис.
22-7). Эта форма свойствен-
на заглубленным сооруже-
ниям и грунтам, отличаю-
щимся некоторой связ-
ностью или структурным
сцеплением сс, т. е. при
Cw4= 0-
Роль сцепления в поверх-
ностных граничных с соору-
жением зонах становится тем
более ощутимой, что абсо-
лютная величина касатель-
ного напряжения тмакс здесь
стремится к нулю. Вследст-
вие этого очень часто даже
незначительное по своей ве-
личине сцепление грунта оказывается достаточным, чтобы погасить
опасные здесь сдвигающие напряжения и обеспечить надлежащую проч-
ность грунту в основании сооружения.
На рис. 22-8 приводится пример построения линий одновременного
разрушения (0макс = const) в основании высокой земляной насыпи (тре-
угольная нагрузка). Это построение выполнено на основании расчетов,
сделанных для 130 точек с определением для каждой из них значений уг-
лов наибольшего отклонения 0макс по формуле (22-45) при заглублении
/гзагл = 0. Входящие в эту формулу значения главных напряжений pi и р2
определяются при этом по соответствующим формулам или по расчетному
графику рис. 20-14*.
Как видим, при угле срш = 10°, что вполне отвечает илистым болотис-
тым грунтам, области предельного напряженного состояния получают здесь
катастрофическое развитие. Очевидно, что в этих условиях устойчивость
грунта в основании сооружения, несомненно, оказалась бы нарушенной,
грунт из-под основания насыпи выдавленным и обрушение откоса насы-
пи было бы неминуемо. Вместе с тем при грунте с углом внутреннего тре-
ния ср > 12° область разрушения в основании насыпи вовсе не нашла бы
* Н. Н. М а с л о в. Прикладная механика грунтов, стр. 139—143. 1949.
327
своего проявления. Очевидно, что в этих условиях устойчивость сооруже-
ния была бы обеспечена в полной мере. Отсюда возникает необходимость
в данном случае дальнейшего развития откосов насыпи.
На рис. 22-9 приводится другой пример построения линий равных уг-
лов Омаке Для сложного (комбинированного) случая нагрузки основания
водосливной плотины с понуром и водобоем. Распределение напряжения
в данном случае приобретает сложный характер. Для построения линий
Рис. 22-8. Линии равных углов наибольшего отклонения (Омаке =const) в
основании земляной насыпи на затопленной пойме (грунт в основании
взвешен водой)
одновременного разрушения (8макс — const) пришлось использовать прин-
цип наложения напряжений. В подобных случаях часто оказывается не-
обходимым использовать формулу (22-46). Очевидно, что полное отсутствие
областей разрушения в основании данного сооружения могло бы иметь
место лишь при угле внутреннего трения грунта основания ср> 35°.
Указанный прием построения линий одноврегленного разрушения по
точкам особенно плодотворен при сложной геологической структуре толщи
основания. Часто основание бывает сложено пластами различных пород с
различными прочностными показателями (ср, с и 7). Поэтому при опреде-
лении Выакс для точек, лежащих в пределах каждого пласта, необходимо счи-
таться с присущими ему характеристиками. Пример такого построения
для некоторого частного случая приведен па рис. 22-10. В данном случае
сооружение возводится на более прочном грунте, подстилаемом более
слабой породой с углом внутреннего трения ср — 14°. Как видим, области
запредельного напряженного состояния находят здесь развитие лишь в
подстилающем слое. При этом условии возможное нарушение устойчи-
вости данного сооружения связано с более слабым подстилающим слоем,
что является вполне логичным.
В заключение необходимо отметить, что все указанные выше построения
линий одновременного разрушения (9макс = const) и областей запредельного
напряженного состояния носят в известной мере условный характер. Эти по-
328
строения могут служить для ориентировочной условной оценки состояния
грунтового массива под воздействием приложенной к нему нагрузки. Услов-
ность является в первую очередь следствием применения для установления
напряженного состояния грунтовой
толщи аппарата теории упругости,
что встречает, как указывалось вы-
ше, некоторые возражения, которые
приобретают особый вес при нали-
чии в основании областей предель-
ного напряженного состояния, ха-
рактеризуемых пластическими явле-
ниями. В таких условиях примене-
ние выводов теории упругости при-
обретает в известной мере сомни-
тельный характер. Тем не менее да-
же с такими оговорками изложенный
метод анализа работы грунта в тол-
ще основания, в особен-
Рис. 22-9. Линии равных углов ©макс в
основании водосливной плотины (по
И. В. Яропольскому)
ности при оценке геотех-
нических условий возведе-
ния проектируемого соору-
жения и оценки его ва-
риантов часто оказывается
весьма полезным. Это
объясняется тем, что ме-
тод построения линий од-
новременного разрушения
и выявления областей
предельного состояния
грунта дает хотя и приб-
лиженную, но зато необы-
чайно ясную картину рабо-
ты грунта под нагрузкой
в заданных условиях.
Отмеченные выше поло-
жения иллюстрируются
рис. 22-11, на котором
приведены данные, связан-
ные с анализом возможно-
го влияния на устойчи-
вость некоторого инже-
Рис. 22-10. Линии равных углов наиболь-
шего отклонения ©макс. Двухслойное
основание—нагрузка ро = 5 кГ/см2. Об-
ласть разрушения — горизонтальная
штриховка:
<Р° tg <Р у, Т/м3 с, Т/м*
J — верхний слой основания 33 0,65 2,1 1,5
II — нижний слой основания 33 0,65 1,2 0,5
111— подстилающая толща 14 0,25 1,0 2,5
нерного сооружения, изменения показателей, характеризующих прочность
грунта (о и с). К этому примеру мы еще вернемся в дальнейшем.
329
Рис. 22-11. Роль возможного
изменения показателей ср и с в
степени развития областей раз-
рушения (левая сторона при
<р = const — 20°, правая сторона
при с = const — 0,4 кПслг.)
Краевая безопасность (рбез) и допускаемая (рдоп) нагрузка.
Случай равномерно распределенной нагрузки
Г
Вернемся к основному выражению для определения угла наибольшего
отклонения 0макс (22-45)
si п 0 ~ ____________Р' ~ Рг__________
макс Pi + Pz + 2Тср (г -J- Лзагл + Лс) '
Главные напряжения pi и р2 при равномерной загрузке поверхности
толщи нагрузкой р0, как известно, определяются зависимостями (20-32)
и (20-33):
Pi = ~°- (а 4~ sin а];
Рз=-~ [* — sin а].
Здесь а — угол видимости для точки с координатами z и х.
Подставим значения pi и р„ из приведенных выше выражений в формулу
(20-45):
sin0MajIC“
а Ч- 7ср (2 -Г Лзагл + Лс)
(22-47)
Из этого выражения следует, что угол 0макс находится во взаимной связи
с ординатой z заданной точки и отвечающим ей углом видимости а.. Иначе
говоря, в данном случае z определяет собой ординату точки пересечения
330
окружности а = const (по рис. 20-13) с линией одновременного разрушения
при заданном значении 0макс. Найдем величину z по зависимости (22-47),
выразив ее через а и 0макс.
После соответствующего приведения, раскрытия скобок и выполнения
простейших преобразований получим
+ (22-48)
л [ср у 8П1 Ммакс /
При предельном напряженном состоянии, как мы знаем, угол 0макс =
= ф. Для этого состояния выражение (22-48) приобретает следующий вид:
2 = + (22-49)
л [Ср у аш у j
Найдем zMaKC, отвечающее наиболее глубокому захождению линии
одновременного разрушения 0макс = в основание сооружения. Для опре-
деления гмакс необходимо уравнение (22-49) продифференцировать по а и
приравнять производную нулю. Получим
Н = 0. (22-50)
аа Л^ср Sincp------------------------------I 4 '
Производная, очевидно, будет равна нулю при cosa= sin ф, а это воз-
можно лишь при
= №-----ф). (22-51)
Подставив полученное значение угла видимости а, отвечающего 2макс
в зависимость (22-49), получим
7 --
“•макс
Г / Л
sin -н- — ср
Ро \ z !
Л-[ср L sin ср
/Л \
^-ф^_(/гзагд + Ас). (92-52)
Или иначе
= — Р— I Ctg ф 4- Ф -----------------4- | (/т,ягл + Дс).
JVlciKC Tf'V I OS I В z / \ Ои1Л I С/
(22-53)
Очевидно, что здесь, как и далее, угол ф выражается в радианах. Урав-
нение (22-53) показывает, что точки zMaKC, отвечающие различным величинам
нагрузки р0, лежат на одной окружности, с которой подошва сооружения
видна под углом
I л \
331
Радиус 7? окружности, на которой лежат точки гмакс’для некоторого
постоянного угла видимости а, определяется из выражения
Rz макс = COS(p » (22-54)
где b — половина ширины загруженного участка.
На рис. 22-12 показан весьма простой способ построения этой окруж-
ности. Радиус и центр описываемой окружности определяются пересече-
нием с осью Z линии, проведенной из краевой точки загруженного участка
под углом <р к горизонту.
Из выражения (22-53) следует (и это
уже отмечалось ранее), что глубина погру-
жения и, следовательно, развитие облас-
тей разрушения при прочих равных усло-
виях увеличиваются с повышением ин-
тенсивности нагрузки pQ. С увеличением
р0 наиболее низко расположенная точка
кривой 0ыакс—? с ординатой ?макс, т. е.
отвечающая нижней границе распростра-
нения области разрушения, скользит по
окружности, построенной указанным вы-
ше образом. В силу этого мы можем на-
звать эту окружность направляющей.
Очевидно, что при этом условии об-
ласть разрушения с увеличением нагруз-
ки рй все более глубоко заходит под за-
груженный участок. Отмеченное выше положение для случаев незаглуб-
ленного и заглубленного сооружений иллюстрируется! рис._ 22-13 и 22-14.
Решим зависимость (22-53) относительно р0:
р __ ’Пер 1гмакс + Лзагл + Ас] (22-55)
0 “ ' л
cig? — ®—- ~2~
Здесь р0 — нагрузка, при которой при заданных значениях Азагл, fcp, и с
область разрушения опускается в толщу основания сооружения
на глубину zMaKC. ’ |_
Найдем значение безопасной нагрузки р^3 , при которой развитие в
основании сооружения областей предельного напряженного состояния
(областей разрушения) полностью исключается, что обеспечивает соору-
жение от просадок, связанных с пластическими деформациями в его осно-
вании, и допускает при решении задач безоговорочное использование вы-
водов теории упругости. Очевидно, что это условие будет соблюдено при
332
2макс = 0. Напомним также, что hc представляет собой мощность фиктив-
ного слоя грунта с объемным весом уср, способного своим весом вызвать
в грунте силы внутреннего трения, эквивалентные сцеплению, т. е. (см.
формулу 22-44)
hc =----у—
с 7ср tg<P
Подставим в выражение (22-55) значения рбез, Аокс = 0 и Лс из зависи-
мости (22-44). Тогда получим окончательно
ЛТср I ^загл ”i"
С
Тер tg ср
(22-56)
Р без
etg Ф + ср —
Рис. 22-13. Линии равных ©макс при различных наг-
рузках ро на поверхности толщи. Сооружение не за-
глублено:
кривые 1 — 4 отвечают соответственно возрастающим нагрузкам
ра\ 5 — направляющая окружность ’
Для зернистых (несвязных) грунтов, характеризующихся отсутствием
в них сцепления (с = 0), выражение (22-56) приобретает более простой вид
, -кур h
загл
Рбез тс
ctg? + ? —-у
(22-57)
В таком виде эта зависимость впервые была предложена выдающимся
советским ученым и инженером Н. П. Пузыревским.
Следует напомнить, что весь наш вывод базировался на изучении на-
пряженного состояния под воздействием нагрузки р0, определенной из
зависимости рсоор = Ро + у^загл (см. формулу 22-39).
333
Отсюда окончательное значение нагрузки рбез будет
Рбез = Рбез + 7^загл* (22-58)
Отметим, что в этом выражении рбез — нагрузка, определяемая по
зависимостям (22-56) и (22-57), и 7 — объемный вес грунта в слое, снима-
емом при заложении сооружения с заглублением /z3ara-
Анализ вопроса указывает, что глубокое захождение областей разру-
шения под подошву сооружения и тем более смыкание их здесь (см. рис.
22-14) ставит сооружение в исключительно невыгодные условия работы
и грозит ему тяжелыми последствиями. Эти последствия заключаются
bb b b
Рис. 22-14. Линии равных ©макс при
различных возрастающих нагрузках
ро- Сооружение заглублено:
кривые /—5 отвечают условиям рис. 22-13
Рис. 22-15. Расчетная схема для оп-
ределения допускаемой нагрузки рДОп
на грунт
в первую очередь в возможности резких и внезапных просадок с наклоном
отдельных частей сооружения, обычно характеризующихся большой
неоднородностью и не поддающихся расчету и учету.
Формулы (22-56) и (22-57) в этом смысле являются гораздо более оправ-
данными, поскольку в основу их заложено условие о полном отсутствии
в основании сооружения областей разрушения. При этом условии возмож-
ность использования для настоящего анализа уравнений упругого полу-
пространства уже не ограничивается. Ясно, что в этом плане при исполь-
зовании формул (22-56) и (22-57) и как конечной (22-58) никаких коэффи-
циентов запаса не требуется. Таким образом, безопасные нагрузки рбез
и рбез, определенные по указанным выше формулам, являются одновремен-
но и вполне допустимыми нагрузками (/?доп). Однако, как показывает стро-
ительная практика, требование о полном отсутствии в основании соору-
жения областей предельного напряженного состояния оказывается чрез-
мерно строгим, в особенности при широко развитых фундаментах.
334
Рис. 22-16. Расчетный график для определе-
ния коэффициентов несущей способности Мь,
Mh и Мс формулы Маслова
Таким образом выясняется, что формулы (22-56) и (22-57) дают прак-
тически несколько заниженные значения нагрузок рбез. Отсюда возникла
трактовка нагрузок рбез, определяемых по этим формулам, как вполне до-
пустимых и безопасных и вместе с тем не исключающих возможности не-
которого их повышения при практическом использовании. Тем самым уста-
навливалась практическая допустимость некоторого развития областей
предельного напряженного состояния в основании сооружений.
Практика строительства под-
тверждает допустимость нали-
чия областей разрушения, но
за пределами контура фунда-
мента сооружения. В этом слу-
чае области разрушения затра-
гивают лишь внешние по отно-
шению к фундаменту массы
грунта, само же сооружение
оказывается обоснованным на
толще грунта, находящегося в
устойчивом состоянии. Нагруз-
ка на грунт, отвечающая этому
условию, может приниматься
как допустимая (рдоп). Рассмот-
рим этот случай*.
Обратимся к рис. 22-15. Как
известно, глубина максималь-
ного погружения 2макс области
разрушения в зависимости от
исходных данных выражается
зависимостью (22-53)
^макс “ fctg ф -р ф (^-загл ^с)”
~ i ср \ у
Вместе с тем нам известно, что все точки гмакс при увеличении р0 сколь-
зят по направляющей окружности с радиусом (см. формулу 22-54)
п ______
макс coscp •
Отсюда по построению следует, что
2
макс гь •
— = l?Sin(p
(22-59)
* Н. Н. Маслов. Прикладная механика грунтов, стр. 127—128. 1949.
335
или
z.„c = 26-^-. (22-60)
z„„c = 26 tg <p. (22-61)
Подставим значение zMaKC[no формуле (22-61) в зависимость (22-53).
Получим
26 tg<p = -у— (cig <р 4- <р — у) — (6загл 4- 6С). (22-62)
П|Ср \ z /
Решим это уравнение относительно р0 и заменим р0 новой величиной
рдог1 (допустимой нагрузкой). При этом по-прежнему величину hc выразим
(см. формулу 22-44) как
. с
Ас =-----г— .
Тер tg?
Произведя все эти операции, получим из выражения (22-62) новую за-
висимость для определения рдоп в условиях уже частичного развития в
основании сооружения областей предельного напряженного состояния:
, «7ср ( 2f> tg ? 4- Лзагл 4- lcp ctg ?
/’доп " я
etg ? -1- ? — у
(22-63)
Как видим, эта формула указывает на зависимость рдоп помимо прочих
факторов, также от ширины фундамента, причем р' возрастает при ее
увеличении, что представляется вполне логичным. Вместе с тем следует
отметить, что при исключении из этой формулы учета ширины загружен-
ного участка она полностью совпадает с уже известной нам формулой
(22-55), которая, таким образом, оказывается частным случаем формулы
автора. Окончательная величина рдоп определяется по аналогии с выраже-
нием (22-58) по зависимости
Рдоп Рдоп
(22-64)
Для облегчения практического использования формул (22-62) и (22-63)
на рис. 22-16 приведен расчетный график. Этот график включает в себя
ряд коэффициентов несущей способности (Л46, Mh и Мс), зависящих от угла
внутреннего трения грунта ср и соответственно связанных с шириной за-
груженного участка 2 Ь, с величиной заглубления фундамента Азагл, а также
336
со сцеплением грунта с. Значения этих коэффициентов определяются сле-
дующими выражениями:
м„ =-----; (22-65)
Ctg ? — + ?
M*=-w + 1; <22-66)
(22-67)
Для использования этого графика формулы (22-63) и (22-64) перестро-
ены в такой объединяющий их вид:
Рдоп=[М6-2£ Ч-ЛМКр + ^Исс. (22-68)
Формула (22-68) учитывает вес вынутой из котлована земли по выраже-
нию (22-64) и получаемые по ней результаты вследствие этого являются
уже окончательными.
Принцип использования данного графика усматривается из следую-
щего примера. Требуется установить допускаемую нагрузку по формуле
Маслова по следующим данным: ширина подошвы сооружения 2 b = 12 м;
заглубление Лзагл = 2,0 м; объемный вес грунта в затопленном состоянии
ув =0,98 Т/м3; угол внутреннего трения грунта ср =22°; сцепление с =
= 0,2 кГ/см2, или с = 2 Т/м2.
Находим по графику величины коэффициентов Mb, Mh и Мс для ср =
= 22° и, подставив их в формулу (22-68), получим
Рдоп = (0,985 • 12 + 3,44 • 2) 0,98 + 6,04 2 = 30,4 Т/м2, или 3 кГ/см2.
Использование формул (22-63) и (22-68) для связных грунтов (с>0)
ограничивается случаями, когда их угол внутреннего трения ср > 5-4-7°.
В противном случае, как показывает практика их применения, лучшие
результаты получаются при использовании для расчетов приведенных
формул, принимая с ~ 0 (при малых величинах сцепления грунта) или
проводя расчет по формулам без учета нормальных напряжений (см. гл. 21),
игнорируя (уже в запас прочности) малую в данном случае роль внутрен-
него трения в грунте.
Приведенные формулы относятся, как это уже отмечалось ранее, для
случая абсолютно гибких фундаментов в условиях плоской задачи.
Имеются однотипные формулы Морозова для абсолютно жесткого
фундамента и формула Шеляпина для круглого фундамента (пространст-
венная задача). Как показывает анализ этих формул при помощи численных
примеров, учет жесткости фундамента и распределения нагрузки по огра-
337
ниченной площади (трехмерная задача) приводит к некоторому незначи-
тельному повышению значений нагрузки р6ез и рдоп.
Формула (22-63), как это указывалось выше, выведена из условия не-
допустимости нарушения прочности грунта непосредственно под фунда-
ментом сооружения в пределах, ограниченных его контурами. При этом,
как показывает строительная практика, обеспечиваются допустимые
условия работы сооружения. Одпако следует отметить, что такое требование
не является единственным. В частности, нормами проектирования СНиП
П-В. 1—62 для основания гражданских и промышленных зданий и соору-
жений предусматривается допустимость развития пластических областей
под краями фундамента на глубину, равную 1/4 ширины фундамента.
Анализ вопроса указывает на то, что оба описываемых метода дают одина-
ковое решение при <р= 14°. Вместе с тем при <?< 14° области разрушения
по СНиПу в свете опыта строительной практики автора получают недопус-
тимое развитие и заходят под фундамент за пределы его контура, что сле-
дует из построения рис. 22-12. Очевидно, что такие нагрузки, когда грунт с
малым значением угла трения <р находится под фундаментом в состоянии
разрушения на половине его ширины и более, не могут быть допущены.
Вместе с тем при <?> 14° допустимая величина нагрузки при таком реше-
нии неоправданно занижается. Во всяком случае допустимость безогово-
рочного использования при этом аппарата теории упругости, в частности
при выводе формул для установления степени развития пластических
областей, в указанных условиях может быть взята под вполне оправданное
сомнение.
В заключение необходимо отметить различные условия работы более
или менее широких фундаментов при разнородном строении основания.
В частности, при залегании в покровной части грунтовой толщи более
устойчивых грунтов и подстилании их более слабыми сооружение с широко
развитым фундаментом будет находиться в более трудных условиях работы,
поскольку здесь возможно развитие областей разрушения в тех или иных
более слабых пластах, слагающих толщу основания.
ГЛАВА 23
КРИТИЧЕСКАЯ ПАГРУЗКА ЩО УСЛОВИЮ ОБЕСПЕЧЕНИЯ
ОБЩЕЙ УСТОЙЧИВОСТИ ОСНОВАНИЯ СООРУЖЕПИЯ
(ФАЗА ВЫПИРАНИЯ)
Теоретические решения
Теоретическое разрешение вопроса о критической нагрузке ркр на грунт
в общем виде связано с необходимостью решения сложных дифференциаль-
ных уравнений предельного (пластического) равновесия совместно с усло-
338
вием пластичности. Для оценки условия предельного состояния в любой
точке области предельного равновесия может быть использовано уже
известное нам выражение (22-46), которое для данного случая предельного
равновесия (0макс= <р) в некоторой точке приобретает вид
. 2 (Pz — РхУ + 4г
5Щ3ф = -т-----;----пъ--т---.
Т (Pz+Rr + 2cctgcp)2
(23-1)
В общем случае дифференциальные уравнения равновесия при плоском
напряженном состоянии могут быть представлены в следующем виде:
+-^г-=п (23-2)
% + ^Х=°- (23-3)
Наиболее строгое в математическом смысле решение для определения
критической нагрузки на грунт в общем плане (с учетом горизонтальной
составляющей давления) без произвольных допущений относительно формы
поверхности скольжения дано В. В. Соколовским*. При практическом
использовании этого и подобных решений возникают значительные труд-
ности.
Это обстоятельство заставляет прибегать ко всякого рода упрощениям
и допущениям при выводе рассматриваемых зависимостей, однако и тогда
они остаются чрезмерно громоздкими. В качестве примера одного из таких
решений, предложенных в свое время В. Г. Березанцевым**, приводятся
следующие зависимости для краевых ординат критической нагрузки
и ркР:
tg?
+ В
(-у - 2? ] tg? |
+ qCe{ ' j X
X fl + sin 2<p
(23-4)
p-^qDe^
(23-5)
* В. В. Соколовский. Статика сыпучей среды. Изд-во АН СССР, 1942.
** В. Г. Березанцев. Осесимметричная задача теории предельного равно-
весия сыпучей среды. Гостеоретиздат, 1952; В. Г. Березанцев. Предельное
равновесие связной среды под сферическими и коническими штампами. «Известия
АН СССР. Отдел техн, наук», 1955, №7; В. Г. Березанцев. О расчете песчаных
оснований гидротехнических сооружений. «Гидротехническое строительство», 1952,
№ 7.
339
Здесь у— объемный вес грунта;
b — полуширина фундамента;
Q == Т^загл 5
А, В, Си D — коэффициенты, являющиеся сложными функциями угла
внутреннего трения, определяемые при помощи специаль-
ных таблиц.
Следует отметить, что при всей своей сложности формула (23-4) отве-
чает частному случаю решения задачи (грунты при с = 0) и некоторому
наперед заданному очертанию кривой скольжения.
Рис. 23-1. Линии скольжения (под углом 45° к главным направлениям)
в среде, обладающей только сцеплением (о = 0)
Даже при использовании приближенных методов и ряда допущений
эти решения оказываются чрезмерно громоздкими, что в значительной
мере лишает их необходимой убедительности и ограничивает возможность
практического использования. Однако для среды, обладающей только сцеп-
лением, во многих частных случаях легко получаются решения в простой
замкнутой форме. Применительно к нашей трактовке эти решения приме-
нимы к основаниям, сложенным монолитными скалистыми породами с ярко
выраженным преобладанием в их прочности структурного сцепления сс и
пластичными глинистыми грунтами с их сопротивляемостью сдвигу, бази-
рующейся целиком на связности породы.
Задача о критической нагрузке на грунт впервые была рассмотрена
немецким ученым Л. Прандтлем. Приняв, что среда обладает только сцеп-
лением, и пренебрегая собственным весом грунта, он выразил критиче-
скую нагрузку в условиях плоской задачи следующей весьма простой
формулой:
Ркр = (* 4- 2,0) с == 5,14с. (23-6)
Здесь с — сцепление в среде, отвечающее в нашем случае структурному
сцеплению скалистых пород сс и связности• для пластичных
глинистых грунтов
340
Характер распределения линий скольжения в среде, загруженной с
поверхности полосовой нагрузкой, применительно к рассматриваемому
случаю* виден на рис. 23-1.
Учитывая шероховатость подошвы фундаментов, Терцаги для условий
плоской задачи дает такое выражение:
ркр = 5,7с. (23-7)
По Ишлинскому для фундаментов с квадратной подошвой
РкР = 5,71с. (23-8)
Хенки рассмотрел вопрос о критической нагрузке под жестким штам-
пом в виде круга и получил для этого случая такое решение:
ркр — 5,64с. (23-9)
Для фундаментов с прямоугольной площадью имеем по Шилду (обоб-
щая рассмотренные им случаи)
Ркр = (5,14 + ф)с. (23-10)
Здесь b — половина ширины загруженного участка;
I — его длина.
Как видим, ркр при загрузке поверхности по некоторой ограниченной
площади несколько увеличивается. При I = оо, т. е. в условиях плоской
задачи, выражение (23-10) становится идентичным зависимости (23-6).
Приведенные выше формулы (23-6) и (23-10) одинаковы по своей форме.
Отсюда возникает возможность все эти выражения, относящиеся к слу-
чаю непосредственной загрузки поверхности (/гзагл = 0), в целях упроще-
ния и в запас прочности обобщить в следующей зависимости:
Ркр = (тс + 2>5) с (23-11)
или
Ркр = 5,64с. (23-12)
Напомним, что в случае непосредственной загрузки поверхности (/гзагл =
= 0) безопасная нагрузка рбез, исходя из условий локальных сдвигов,
определяется (см. формулу 21-18 и 21-19) такими выражениями:
Рбез 3,14с,
Рбез 2® 3, 2®*
* L. Prandtl. Spannungsverteilung in plastischen Korpern. Proc. First' Intern.
Congr. Appl. Meeh., 1924.
341
При некотором заглублении фундамента величина критической нагруз-
ки увеличивается как минимум на вес вынутой из котлована земли.
Проф. Н. А. Цытович, для определения максимальной критической
нагрузки в рассматриваемых условиях дает следующую формулу:
Риаяс. кр = + 2) С + Т V,]. (23-13)
При переходе от критической нагрузки /?кр к допустимой рдоп мы снова
должны использовать некоторый коэффициент запаса /с3£Ш. Этот коэффици-
ент может быть принят в пределах от 1,5 (обычный случай) до 2 (более
сложные и ответственные условия работы основания).
Обобщая приведенные выше зависимости, мы можем окончательно
написать
Рдоп = + 2’5)с + ^загл^ (23-14)
^зап
При разработке теории предельного равновесия Л. Прандтлем было
отмечено быстрое возрастание предельной нагрузки при наличии в среде
сил внутреннего трения (ср ={= 0). В частности, для условий, отвечающих
выражению (23-6), Прандтль дает следующие зависимости*:
при ср = 10°
при ф = 20°
при ф = 30°
Ркр= 6,98 с;’
ркр= 10,33 с;
ркр = 17,40 с..
(23-15)
Разработка вопроса позволила Прандтлю предложить для рассматри-
ваемых грунтов (ср 0) зависимость, выведенную им также без учета
собственного веса грунта**,
v=-dhrM45° + (23-16)
L& т |_ \ / J
При достаточном развитии фундаментов для грунтов, характеризую-
щихся наличием в них сил внутреннего трения (ср 0), исключение из
решения собственного веса грунта у как объемной силы вряд ли может
быть оправдано.
Полуэмпирические зависимости
Чрезмерная сложность рассматриваемой задачи с учетом всех необ-
ходимых условий (ср 0, с 0, у 0) очень затрудняет возможность
* L. Prandtl. Eindringungsfestigkeit und Festigkeit von schneiden. Zeitsch-
rift fur angevandte Mathematic und Mechanic. Vol. 1, № 1, p. p. 15—20, 1921.
** L. Prandtl. Uber die Harte plastischer Korper. Nachr. Ges. Wiss. Gottin-
gen. Phys.-math. Klasse, 1920.
342
убедительной экспериментальной проверки приведенных формул, без чего
практическая их ценность является относительной.
Все отмеченные выше положения заставили и заставляют исследовате-
лей искать иные решения задачи по определению критической нагрузки
на грунт, более простые в своем оформлении и более отвечающие реальным
условиям работы грунта в основании сооружений и в силу этого, несмотря
на свой полуэмпирический характер, с инженерной точки зрения более
убедительные.
Рис. 23-2. Расчетная схема по Л. Прандтлю (1921 г.) по определению
критической нагрузки ркр для грунтов типа ср=/= О
Исходные положения. Немецким ученым Л. Прандтлем на основе вы-
полненных им математических исследований была предложена в 1921 г.
расчетная схема для определения критической нагрузки на сыпучие грунты
типа 0. Эта схема, изображенная на рис. 23-2 с теми или иными изме-
нениями, явилась соответствующим теоретическим обоснованием всех
последующих предложений и исследований.
Отличительной особенностью большинства рассматриваемых ниже по-
луэмпирических зависимостей является следующее допущение. Предпо-
лагается, что нарушение устойчивости основания при нагрузках выше
критических возникает в результате смещения по некоторой фиксированной
поверхности скольжения и выпора целых блоков грунта как твердых монолит-
ных тел. Поверхности скольжения в условиях плоской задачи проектиру-
ются на плоскости чертежа как линии (траектории) скольжения. Для жест-
ких скалистых пород мы говорили бы в этом случае о линиях скола.
Линии скольжения при выпоре в толще грунта совпадают:
а) для пород типа ср = 0 (монолитные скалистые породы или мягкие
пластичные глины) с направлениями, ориентированными под углом 45° к
главным направлениям (площадки действия тмакс);
б) для грунтов типа ср =^= 0 (зернистые грунты, жесткие и скрытопластич-
343
ные глины) по площадкам предельного равновесия, т. е. под углами к глав-
ным направлениям
Skp = (45° + (см. формулу 22-17)
и
S^p=±^45°-----(см. формулу 22-18).
Линия действия большего главного напряжения, т. е. отвечающее ему
главное направление, сбоку от загруженного участка совпадает в пределе
с поверхностью толщи (угол видимости а стремится здесь к нулю). При этом
условии выход линий скольжения на поверхность толщи в точках F и F'
изм еряется:
а) для пород типа = 0 углом р = 45°;
б) для пород типа ср 0 углом р' = ^45°--.
По схеме Л. Прандтля (см. рис. 23-2) линия скольжения имеет сложное
очертание и состоит из трех симметричных участков:
1) AD или DC — прямолинейных;
2) DE или DE' — криволинейных (например, по закону логарифмиче-
ской спирали);
3) EF или E'F' — снова прямолинейных.
Согласно расчетной схеме Л. Прандтля в частично загруженной с по-
верхности среде образуются симметрично относительно оси Z три зоны.
Зона I носит характер клина, образуемого из уплотненного под нагруз-
кой грунта. Этот клин тесно связан с сооружением и перемещается
совместно с ним, как некоторое твердое тело в общем случае по вертикали
вниз. В своем движении этот клин действует распирающим образом на при-
легающие к нему в зонах II массы грунта. При чрезмерной нагрузке грунт
здесь теряет свою устойчивость, переходит в пластическое состояние (фаза
сдвигов в условиях запредельного состояния) и оказывает давление на
грунт в зонах III. В результате этого давления грунт в зонах III как
сплошной массив перемещается по поверхности скольжения вбок и квер-
ху. Так возникает выпор грунта в граничной с сооружением зоне.
Теоретически выпор грунта в соответствии со схемой рис. 23-2 может
осуществляться односторонне или в обе стороны. Однако на практике в силу
обычной неравномерности нагрузки и неоднородности грунта нарушение
устойчивости основания всегда происходит с односторонним выпором грун-
та. В этом случае возникает одностороннее скольжение земляного клина
по одной из боковых его поверхностей, например по линии AD. Очевидно,
что при этом условии само сооружение испытывает, кроме опускания, неко-
торое вращение и боковое смещение. Такая деформация сооруже-
344
ния в заключительной фазе деформации его основания, т. е. в фазе
выпирания, является весьма характерной. Следует также отметить, что
процесс деформации сооружения наступает обычно внезапно и проте-
кает в течение весьма короткого времени (часто в течение нескольких
минут).
Нередко выпор грунта из-под подошвы сооружения сопровождается
его внезапной осадкой, измеряемой метрами. Такая весьма значительная
и внезапная осадка сооружения, связанная обычно с нарушением устой-
чивости его основания, называется просадкой.
Характер деформации сооружения, связанной с явлением выпора, ил-
люстрируется приведенным ранее рис. 19-5. Изображенный на этом рисунке
Трансконский элеватор просел в результате аварии на 8,8 м и наклонился
на 27°.
Таким образом, нарушение устойчивости основания сооружения в ре-
зультате выпора связано с неизбежностью насильственного перемещения
каких-то, часто весьма значительных масс грунта по некоторой фиксиро-
ванной поверхности скольжения. Нарушение устойчивости и смещение
этих объемов грунта возможно лишь при преодолении весом сооруже-
ния всех сил сопротивления грунта, препятствующих этому переме-
щению. Отсюда возникает представление о критической нагрузке вы-
пирания ркр.
Сопротивление перемещению выпираемых объемов земли вызывается
необходимостью преодоления возникающих и действующих по поверхности
скольжения сил трения и сцепления грунта. Вполне понятно, что силы
возрастают с увеличением веса или, другими словами, объема перемещаю-
щихся масс (при равном объемном весе грунта). Наряду с этим, чем длиннее
траектория скольжения, тем больше сумма действующих по поверхности
скольжения сил сцепления.
Объем смещаемого и выпираемого грунта определяется шириной загру-
женного участка и заглублением сооружений, что иллюстрируется
рис. 23-3 и 23-4 и не требует дополнительных пояснений.
Здесь следует снова подчеркнуть возможность существенного измене-
ния объемного веса грунта при его затоплении за счет взвешивающего
эффекта воды (см. выражения 22-36 и 22-37). Этот фактор прямым образом
воздействует на вес перемещаемых масс грунта, а следовательно, и на не-
сущую способность основания сооружения.
Таким образом, в свете приведенных выше соображений становится
очевидным, что степень устойчивости основания сооружения и его несущая
способность возрастают:
а) при повышении сопротивляемости грунтов основания сдвигу (s, <р и
с);
б) при увеличении ширины сооружения (2 &);
в) при увеличении заглубления (Азагл) сооружения;
345
г) При НИЗКОМ СТОЯНИИ уровня Грунтовых ВОД ( Yay и Тв).
Строгий математический учет всех этих факторов во взаимной увязке
между собой встречает значительные трудности и до сих пор не нашел своего
Рис. 23-3. Увеличение объемов V выпираемых масс
нии ширины загруженного участка при
грунта при увеличе-
Лзагл = const
7Ь
Рис. 23-4. Увеличение объемов выпираемых
масс земли V при увеличении заглубления
сооружения при 2& = const
решения. Возникающие труд-
ности в первую очередь свя-
заны с неопределенностью
очертания линии скольжения
в различных условиях. В си-
лу этого большинство пред-
ложенных для оценки несу-
щей способности основания
«на выпор» полуэмпиричес-
ких'зависимостей исходит и
различается между собой те-
ми или иными упрощающими
представлениями, касающи-
мися в первую очередь очер-
тания линий скольжения.
Формула Паукера. Реше-
ние, предложенное в 1856 г.
русским инженером и уче-
ным Г. Е. Паукером, явля-
ется первой попыткой разре-
шения рассматриваемой за-
дачи. Один из выдающих-
ся советских ученых проф.
В. К. Дмоховский отмечал*: «Это решение (Г. Е. Паукера) интересно тем,
что оно было дано в то время, когда теоретическое и эксперименталь-
* В. К. Дмоховский и Н. Н. Богословский. Основания и фун-
даменты. Стройиздат, 1940, стр. 124.
346
ное изучение грунтов находилось еще в зачаточном состоянии. В свое время
решение, предложенное Паукером, буквально произвело революцию во
взглядах на возможность строительства на слабых грунтах, так как подав-
ляющая часть строителей — современников Паукера полагала, что надежным
основанием могут быть только скала, твердая глина и тому подобные грун-
ты, явно обладающие сцеплением. Паукер доказал, что любые грунты,
включая насыщенные водой, могут безопасно воспринимать любую нагруз-
ку при условии соблюдения необходимой глубины заложения фундаментов».
Рис. 23-5. Расчетная схема к формуле Паукера (модернизи-
рованный вариант):
а— схема действия нагрузки; б— условия работы грунта в точке В,
смежной с точкой А
Вывод формулы Паукера в ее модернизированном виде может быть
представлен в такой форме.
Обратимся к расчетной схеме рис. 23-5, а. Рассматриваются условия
работы грунта в уровне подошвы фундамента с его внешней стороны в зоне,
непосредственно примыкающей к боковой грани фундамента, где грунт
находится в наиболее трудных условиях работы. Предполагается, что фун-
дамент заглублен и заложен в уровне DD на глубине йзагл от поверхности
толщи. Фундамент несет нагрузку от сооружения и в краевой точке оказы-
вает давление на грунт р0. Для решения задачи в общем виде предположим,
что грунт в основании сооружения характеризуется некоторым сцеплением
с. Для учета в условиях работы грунта в основании сооружения сцепления,
повышающего его прочность и устойчивость, заменим действие сцепления
в грунте равными ему по величине силами внутреннего трения за счет веса
некоторого дополнительного слоя земли мощностью hc, перекрывающего
собой поверхность грунтовой толщи. Величина Д в данном случае опреде-
лится исходя (см. формулу 22-44) из выражения
hc = —с-г—.
7сР
347
Таким образом, возникает необходимость рассматривать условия ра-
боты грунта в основании фундамента, заложенного уже от поверхности
на глубину Я = /гзагл 4- hz, причем заглубление hc в данном случае явля-
ется фиктивным, лишь компенсирующим в нашем расчете сцепление в грун-
те, которое в прямом виде в расчет не вводится. Условия устойчивости
грунта в основании сооружения оцениваются в точке В, где грунт испыты-
вает тенденцию к выдавливанию (выпиранию) под воздействием некоторой
силы ра (рис. 23-5, б), которая встречает в этом противодействие со стороны
веса грунта ргр, залегающего слоем Я сбоку сооружения в уровне выше по-
дошвы фундамента. Давление ра возникает здесь как некоторое отраженное
влияние активной сдвигающей силы ра, действующей по горизонтальной
плоскости, расположенной в уровне подошвы фундамента и в свою очередь
связанной с давлением р0 на грунт в точке А от веса сооружения
(рис. 23-5, б).
Напряженное состояние в точке А описывается главными напряжени-
ями Pi и р2, действующими по соответствующим главным направлениям,
направление которых принимается для данного случая совпадающим с
осями Z и X.
Принимается, что в данном случае pi = р0 и р2 = ра. В условиях пре-
дельного равновесия активное давление ра может быть найдено по извест-
ному уже нам выражению (см. формулу 22-21)
sin ср = .
Т Pl + Р2
Это выражение в рассматриваемых условиях приобретает следующий вид:
sin ср =
Ро~Ра
Ро + Ра
Решая эту зависимость относительно ра, получим
Ра = Р0
(1 — sin ср)
(1 + sing))
(23-17)
(23-18)
или
__ (sin 90° — sin ср)
Ра (sin 90°sin ср)
(23-19)
После простейших тригонометрических преобразований, используя вы-
ражение для разности и суммы синусов углов, последнее выражение при-
мет такой вид:
Л = Ро ctg (45° +-|-) tg (45° —(23-20)
348
или
Л = Ро tg2 (45° —. (23-21)
В выводах «Механики грунтов» величина tg2 ^45° -------определяется
как коэффициент бокового давления £, связывающий собой два сопряженных
напряжения (действующих по взаимно перпендикулярным площадкам):
? = tg2145°----' (23-22)
Таким образом,
= (23-23)
Вместе с тем, как это уже было отмечено выше, активное давление ра
вызывает в свою очередь в точке В сопряженное с ним давление ра , дейст-
вующее уже в вертикальной плоскости. В соответствии с изложенным выше
напряжение ра определяется через ра
= (23-24)
Учитывая выражение (23-23), мы можем написать
р; = ^2Ро- (23-25)
Как отмечалось выше, тенденция к подъему грунта в боковой внешней
зоне фундамента давлением ра в процессе выдавливания его из-под подош-
вы фундамента при чрезмерных на грунт нагрузках р0 в условиях равнове-
сия гасится в уровне подошвы сооружения давлением грунта ргр, развива-
емым здесь весом перекрывающей данный горизонт толщи:
РгР = т(йзагл + Ю- (23-26)
Очевидно, что в условиях равновесия в точке В должно соблюдаться
равенство
Ра ~ Ргр»
т. е.
7(/гзагл + ^с) = ^р0. (23-27)
Подставляя в это выражение значение коэффициента бокового давления
£ по формуле (23-22), мы можем написать
Т <Кг, + Йе) = Ро tg* (45° - у) . (23-28)
349
Очевидно, что в данных условиях равновесия нагрузка р0 на грунт в
подошве фундамента может рассматриваться уже как критическая, т. е,
цкр. Учитывая это условие, мы можем написать
Ркр =----Т (^загл 4- ^с) (23-29)
tg4 45° — 4Н
или окончательно
Лр = 7(йза„ + Лс)*§4(45° + ^-). (23-30)
При отсутствии в грунте сцепления, т. е. при с = 0 и /гс =0, выражение
(22-30) приобретает следующий вид:
Ркр=чЛзагЛ§4(45о+-У). (23-30')
В таком виде эта формула и была дана Г. Е. Паукером.
Как это следует из формулы Паукера, критическая нагрузка на грунт
при с = 0 находится в прямой линейной зависимости от глубины заложе-
ния фундамента /гзагл и, что является весьма примечательным, от объемного
веса грунта. Объемный вес ув грунта в затопленном состоянии примерно
в 2 раза меньше веса грунта, расположенного выше уровня воды. Отсюда мы
должны придти к заключению, что в рассматриваемом случае несущая спо-
собность основания при затоплении его водой снижается почти вдвое.
Формула Паукера в дореволюционной России, особенно при расчете
глубоких опор, применялась с коэффициентом запаса /сзап = 1,5 ~ 2,0.
При использовании коэффициента запаса язап выражение (23-30) приобре-
тает следующий вид:
fton = ~ t (haa„ + hj tg4 f45° + 4-). (23-31)
Во избежание преувеличения роли в несущей способности грунта сцеп-
ления формулой (23-30) при наличии в грунте сцепления рекомендуется
пользоваться лишь при значениях углов трения ср > 5 -у 7°. При меньших
значениях угла трения расчет рекомендуется проводить по выражению
(23-30'), игнорируя сцепление (при малых величинах сцепления), или по
методу «без учета нормальных. напряжений» (при наличии значительного
сцепления в грунте).
Пример. Требуется найти допускаемую нагрузку рЛ0П на грунт в
основании сооружения при его заглублении Лзагл = 2 м. Требуемый коэф-
фициент запаса /сзап = 1,5. Грунт — ленточная глина ниже уровня грунто-
вых вод. Объемный вес ув = 1,05 Т1м\ угол внутреннего трения ср = 18°;
tgcp = 0,32; сцепление с = 1,2 Т!м3, или 0,12 кПсм?.
350
Прежде всего необходимо определить фиктивное заглубление Лс по
выражению (22-44):
= 1,05 • 0,32 = м-
Следовательно, Н = Азагл + hc = 2 + 3,58 = 5,58 м.
Далее имеем: tg4(45° Ч—)= tg4(45° + 9°) = tg454°.
Находим: tg 54° = 1,38; tg454° = 3,64.
Далее по формуле (23-30)
ркр = 1(05 • 5,08 - 3,64 = 21,6 TIm?, или = 2,16 кПсм?
и окончательно допускаемая нагрузка при /сзап =1,5
[Рдоп = yrs А<Р = уд- ’ 2’16 = 1 »44 кГ/см2‘
Формула Паукера (23-30') получила широчайшее использование в доре-
волюционной России, в особенности при определении необходимой вели-
чины заглубления фундамента при заданной нагрузке на грунт в его подош-
ве. Несмотря на ряд недостатков, эта формула сохраняет свое значение,
в особенности при ориентировочных (полевых) расчетах. Дело в том, что
для ее использования не требуются никакие дополнительные графики или
таблицы, присущие другим формулам, которых как раз может и не оказать-
ся под рукой. Вместе с тем результаты расчетов по формуле Паукера и по
другим наиболее распространенным формулам оказываются достаточно
близкими.
Формулы Березанцева. Приведенные различными исследователями опы-
ты показывают, что при заглублении фундаментов линии скольжений но-
сят в действительности сложный характер. Такой характер этих линий
вызывается образованием под загрузочной плитой треугольного ядра (кли-
на) из уплотненного грунта. Это ядро оказывает расклинивающее воздейст-
вие на окружающую массу грунта и при определенных обстоятельствах
приводит к полной потере основанием своей устойчивости в условиях вы-
пора грунта из-под сооружения*.
Точное решение задач в такой постановке затрудняется недостаточной
изученностью формы этого ядра в разных условиях и необходимостью
учета собственного веса грунта как некоторой объемной силы.
* Следует отметить, что понятие о распирающей роли земляного клина, при-
обретшего большое значение в современной теории вопроса, было впервые исполь-
зовано при оценке предельного состояния грунта в основании сооружений профессо-
ром Петербургского политехнического института С. И. Белзецким (С. И. Б е л з е ц-
к и й. Статика сооружений. Т. I. Вып. I. Статика сыпучих тел и подпорных стенок.
СПБ, 1914). В дальнейшем к этому вопросу в 1929 г. вернулся М. X. Пигулевский,
отметивший наличие такого ядра под жестким штампом (М. X. Пигулевский.
Физико-механические свойства рыхлых дорожных материалов. Транспечать, 1929).
351
В. Г. Березанцев дал приближенное решение в условиях плоской задачи
для небольших ленточных фундаментов на песчаном основании, предполо-
жив, что уплотненное ядро имеет вид равнобедренного прямоугольного
треугольника с гипотенузой, равной ширине 2 b фундамента. В этом случае*
Рк₽ = + BAq 4- Слс. (23-32)
Для круглого фундамента В. Г. Березанцев принимает коническое ядро
с углом заострения 90°. Для этого случая, а также для квадратного фун-
дамента с полушириной, равной радиусу г круга, В. Г. Березанцев дает
следующую формулу:
Ркр = + CrC- - (23-33)
В строительной практике нередко при решении подобных задач исполь-
зуется прием, когда фундамент, представляющий собой по форме слабо
вытянутый прямоугольник с размерами 2а X 2 Ь, заменяется равновеликим
ему по площади кругом радиусом
г = 2 l/ft. (23-34)
В формулах (23-32) и (23-33):. q — величина боковой пригрузки, опре-
деляемая по выражению q = тЛзагл; b — полуширина фундамента; с — сцеп-
ление в грунте; А, В и С с индексами «л» для ленточного и «к» для круглого
фундамента — коэффициенты, находящиеся в сложной зависимости от угла
внутреннего трения грунта q>: их значения приводятся в табл. 21, заимст-
вованной из упомянутой выше книги В. Г. Березанцева.
Пример. Требуется определить критическую нагрузку рк~ по фор-
муле Березанцева для ленточного фундамента под колонны бункерной
конструкции шириной 2 b = 12, 5 м; заглубление Лзагл = 2 м; грунт — лен-
точная глина ниже горизонта грунтовой воды; объемный весув — 1,05 Т/м3;
угол внутреннего трения ср = 18°; сцепление с = 1,2 Т/м2.
Для решения используем выражение (23-32). Величину боковой при-
грузки q определяем по формуле
Q ~ 7в ^загл-
В данном случае имеем q =1,05-2 =2,1 Т!м2; находим по табл. 21
значения коэффициентов Ал, Вл и С„ для <р= 18°. Подставляя заданные и
найденные значения в формулу (22-32), получим
ркр = 2 • 2,3 • 1,05 • 6,25 + 5,3 • 2,1 + 13,2 • 1,2 = 56,9 Т/м2 или 5,7 кГ/см2.
При коэффициенте запаса /сзап = 1,5
Рдоп = 175Ркр = Т75 • 5,7==3,8 кГ/см2.
* В. Г. Березанцев. Расчет прочности оснований сооружений. Госстрой-
издат, 19G0.
352
Таблица 21
Значения коэффициентов Ал, Вл и Сл для ленточных и Дк, Вк и Ск
для квадратных фундаментов в формулах (23-32) и (23-33)
ср, град Значения коэффициентов для фундаментов
ленточных квадратных или круглых
сл Вк Ск
16 1,7 4,4 11,7 4,1 4,5 12,8
18 2,3 5,3 13,2 5,7 6,5 16,8
20 3,0 6,5 15,1 7,3 8,5 20,9
22 3,8 8,0 17,2 9,9 10,8 24,6
24 4,9 9,8 19,8 14,0 14,1 29,9
26 6,8 12,3 23,2 18,9 18,6 36,4
28 8,0 15,0 25,8 25,3 24,8 45,0
30 10,8 19,3 31,5 34,6 32,8 55,4
32 14,3 24,7 38,0 48,8 45,5 71,5
34 19,8 32,6 47,0 69,2 64,0 93,6
36 26,2 41,5 55,7 97,2 87,6 120,0
38 37,4 54,8 70,0 142,5 127,0 161,0
40 50,1 72,0 84,7 - 216,0 185,0 219,0,
42 77,3 98,7 108,8 317,0 270,0 300,0
44 110,3 137,2 » 141,2 —. — — .
46 159,6 195,0 187,5 — — —
Несмотря на интересную расчетную схему, использованную при вы-
воде формул В. Г. Березанцева, практическое их применение впредь до
широкой апробации лабораторными опытами в надлежащем масштабе и
анализом данных строительной практики является во всех сколько-нибудь
ответственных случаях преждевременным и требует, во всяком случае
до этой апробации, повышенных величин коэффициентов запаса.
Вместе с тем следует отметить, что, как правило, величина несущей
способности песчаных оснований, определяемая опытным путем, значительно
(в 1,5—2 раза) превышает в ряде случаев установленную расчетом по ис-
пользуемым в практике формулам; несущая способность квадратных фун-
даментов при этом оказывается в 1,20—1,25 раза больше, чем ленточных
такой же ширины. Об этом, в частности, свидетельствует ряд докладов,
представленных на IV, V и VI Международных конгрессах по механике грун-
тов и фундаментостроению (Лондон, 1957 г.; Париж, 1961 г. и Монреаль,
1965 г.). Это обстоятельство в известной мере говорит в пользу формул
Березанцева.
В заключение следует отметить результаты теоретического анализа,
выполненного М. И. Горбуновым-Посадовым, установившим, что уплотнен-
ное ядро в толще песчаного основания жесткого фундамента имеет вид
равнобедренного треугольника с основанием по всей ширине фундамента и
12 Заказ № 549
353
с углами у подошвы фундамента, равными углу внутреннего трения грунта.
Этот вывод, в известной мере противоречащий исходным позициям вывода
ряда полуэмпирических формул, лишний раз свидетельствует о недостаточ-
ной изученности вопроса об устойчивости грунтов в основании сооружений
и о приближенности предложенных до сего времени решений.
Формула Терцаги. Для определения предельной нагрузки ркр за рубе-
жом наиболее часто используют формулу, предложенную проф. К. Терца-
ги*. В отличие от прочих формул формула Терцаги учитывает жесткость
фундамента и трение по его подошве. В основу вывода этой формулы по-
ложена уже известная нам расчетная схема Л. Прандтля (см. рис. 23-2),
однако снова с некоторыми допущениями. Эти допущения касаются в пер-
вую очередь различной трактовки деформации основания применительно
к различным грунтам. Поэтому Терцаги выдвигает два варианта своей
формулы.
Первый вариант — жесткие и плотные глинистые, а также
сыпучие грунты, характеризующиеся при чрезмерной нагрузке обычно
внезапной и резкой просадкой и смещением сооружения вследствие выпора
грунта.
Второй вариант — мягкие пластичные и скрытопластичные
глинистые грунты, вызывающие на первой стадии^деформации при чрезмер-
ной нагрузке значительную осадку сооружения в*результате местных сдви-
гов и отдавливания грунта из-под подошвы сооружения и лишь в конечной
фазе приводящие к резкой просадке грунта в результате выпора.
При использовании формул по второму^ варианту (мягкие глинистые
грунты) предлагается вводить в расчет значения ©' и с' в виде лишь части
от найденных <р и с по методу Кулона, а именно:
о
tgq>'=-i-tg<p; (23-35)
и
с' = 4- С, (23-36)
. о
К. Терцаги приводит формулы для ленточных фундаментов (плоская
задача) и фундаментов с подошвой в виде квадрата или круга.
Во всех случаях критическая нагрузка ркр функционально через угол
внутреннего трения и объемный вес породы связана с шириной загружен-
ного участка (2 b или Ь) и заглублением сооружения (йзагл). Помимо этого,
в формулы входит как дополнительный третий член, учитывающий сцепле-
ние грунта, если оно имеется.
Связь этих параметров с углом трения ср осуществляется посредством
безразмерных коэффициентов несущей способности Nlt NQ и Nc, представ-
* K-Terzaghi. Theoretical Soil Mechanics. New-Jork, 1943. К. Терцаги
и P. П э к. Механика грунтов в инженерной практике (пер. с англ.). Госстрой-
издат, 1958, стр. 201—207.
354
ляющих собой некоторые более или менее сложные тригонометрические
функции лишь от угла внутреннего трения ср. Это обстоятельство позволяет
табулировать их и использовать в расчетах в виде табличных или графи-
ческих данных.
Формулы по обоим вариантам — как для ленточных, так и для квадрат-
ных фундаментов — имеют однообразное начертание и различаются лишь
численными величинами коэффициентов при и Nc:
а) для ленточных фундаментов
Ркр = + Т^загл Nq + cNc\ (23-37)
б) для квадратных фундаментов
Рис. 23-6. Значение коэффициентов несущей способности Nq, и Nc
в формулах Терцаги в зависимости от угла внутреннего трения грун-
та <р:
1 — для относительно плотных грунтов; 2—для слабых грунтов
Для определения значений коэффициентов несущей способности ,
Nq и Nc для жестких плотных глин, а также зернистых грунтов в обоих
вариантах используется график (рис. 23-6). Уменьшение расчетного значе-
ния угла трения и сцепления в соответствии с выражениями (23-35) и (23-36)
для слабых мягких пластичных и скрытопластичных глинистых грун-
тов находит отражение в графике рис. 23-6 в новых значениях коэффициен-
тов несущей способности Nq и Nc.
Для определения коэффициентов несущей способности по рис. 23-6 не-
обходимо располагать данными об углах трения ср, которые в общем слу-
чае устанавливаются по результатам дабораторных опытов.
Исследования показывают, что углы внутреннего трения песчаных,
12* 355'
грунтов, а следовательно, и величины коэффициентов 7VT , Nq и Nc для них
зависят в первую очередь от их плотности и практически не зависят от
размеров фракций. Вместе с тем сопротивление песчаных грунтов пенетра-
ции также в первую очередь определяется плотностью грунта. Благодаря
Рис. 23-7. Коэффициенты несу-
щей способности Nq и AZy для
сыпучих грунтов в зависимости
от угла внутреннего трения и
количества ударов N при стан-
дартном испытании на пенетра-
этому в некоторых случаях оказывается
возможным определять коэффициенты не-
сущей способности песчаных грунтов че-
рез присущие им углы внутреннего тре-
ния по данным стандартных опытов на
пенетрацию* (рис. 23-7).
При использовании формул Терцаги
возникает некоторая неопределенность в
связи с лишь относительной характерис-
тикой области их применения для раз-
личного вида грунтов. Это обстоятельст-
во, несомненно, является одним из недо-
статков этих формул. Обратимся, однако,
к самим формулам Терцаги.
Для установления по формулам Тер-
цаги допускаемой нагрузки рдоп в зару-
бежной практике используются коэффи-
циенты запаса кзап =2 4- 3.
Обращается внимание на то, что за ру-
бежом основания проектируются со значи-
тельно большим запасом, чем в нашей
стране, где он обычно равен 1,25— 1,50.
Такая возможность обеспечивается, несом-
ненно, более глубоким, чем за рубежом,
цию: изучением инженерно-геологических усло-
1 — очень рыхлый грунт; 2 — рыхлый вий возведения сооружений и несравнен-
грунт; 3 — средний по плотности грунт; ал
4 -плотный грунт; 5 - очень плотный но более богатым опытом строительства
грунт крупных инженерных сооружений на сла-
бых грунтах в нашей стране.
Условия применения формул Терцаги иллюстрируются нижеследукн
щим примером.
Пр и м е р. Требуется определить допускаемую нагрузку рдоп в осно-
ваний ленточного фундамента шириной 2 b = 12,5 м при коэффициенте за-
паса /сзап = 2. Фундамент заглублен на 2 м; грунт — ленточная глина
ниже уровня грунтовых вод: объемный вес уп = 1,05 Т/м3, угол внутреннего
трения <р = 18°; tg ф =0,32; сцепление с = 1,2 Т/м2, или 0,12 кГ/см2.
* Р. Пэ к, И. Хе в с о н, Т. Т о р н б у р н. Основания и фундаменты (пер.
с англ.').. Госстройиздат, 1958, стр. 202.
356
По характеру грунта для определения ркр должен быть использован
второй вариант формулы Терцаги (23-37) для слабых грунтов при коэффи-
циентах несущей способности N^, Nq и Nc. Прежде всего по графику
(см. рис. 23-6) находим значения этих коэффициентов при<р = 18°. Полу-
чим: TV' = 1; Nq =3,2; N'c = 11. По выражению (23-37) будем иметь
рк?= 1,05- 6,25 • 1,0 + 1,05 • 2,0 • 3,2 + 1,2 • 11,0 = 26,5 Т/м2, т. е. 2,65 кГ/см2.
Тогда при коэффициенте запаса /сзап = 2 допускаемая нагрузка будет
Рдоп = 1/2 ркр = 1,33 кПсм\
Эта величина лишь в малой степени отличается от рдоп, определенного
по приближенной формуле Паукера при кзап = 1,5 (рдоп = 1,44 кГ/см2-,
см. пример расчета по формуле Паукера).
Вместе с тем при коэффициенте запаса кзап = 1,5 формула Терцаги дает
следующее значение допускаемой нагрузки:
Рдоп = its " 2,65 = 1,77 кГ/см2.
Отметим попутно, что по формуле Березанцева допускаемая нагрузка
при той же величине коэффициента запаса (/сзап — 1,5) определилась ве-
личиной рдоп =3,8 кГ/см2, что более чем в 2 раза превышает величину
Рдоп> установленную по формуле Паукера как приближенную и по формуле
Терцаги, имеющей повсеместное применение за рубежом. Следует отметить
также, что допускаемая нагрузка в пределах рдоп = 1,50 — 1,75 кГ/см2 в
реальных условиях нашего примера широко апробирована данными стро-
ительной практики. Величины рдоп, близкие к этим значениям, могут быть
получены по формуле Березанцева (23-32) при коэффициенте запаса /сзап =
= 4. В условиях нашего примера в данном случае мы получили бы
Рдоп =4~ “ 5»7= !’42 яГ/см2.
Формула Скемптона. При оценке несущей способности пластичных
глинистых грунтов (сри, = 0) за рубежом все чаще используют формулу,
предложенную А. Скемптоном*,
Ркр cNc Т^загл? (23-39)
где
tfc = 5(l + 0,2-Т)(1 +0,2^f2-j; (23-40)
В = 2 b —- ширина и L — длина прямоугольного фундамента.
* A. W. S се m р t о п. The bearing capacity of clays, Building Research cong-
ress. Papers. Div. 1, p. p. 180—189.
357
Допускаемую нагрузку рдоп определяют по критической нагрузке (ркр)
с коэффициентом запаса кзап =2 3.
Пример. Требуется определить критическую ркр и допустимую рдоп
нагрузку при коэффициенте запаса кзап = 2 для проектируемого сооружения
с квадратным фундаментом и сторонами В = L = 12,5 м, заглубленным на
/гзагл = 2 м. Грунт —пластичная глина; связность = с =3,1 Т!м2,
объемный вес грунта у =2 Т1м\
Находим значение коэффициента Nc несущей способности по выражению
(23-40)
^ = 5(1 + 0,2+0,1 -^ = 6,12.
Подставляем найденное значение Nc и прочие заданные величины в
выражение (23-39):
ряр = 3,1-6,12 + 2,0*2,0 = 23,0 Т1м\ или 2,3 кПсм2.
Отсюда
Гдоп == -лу— Ркр = 4- • 2,3 = 1,15 кПсм2.
к-зап £
Метод круглоцилиндрической поверхности скольжения. При определе-
нии предельной нагрузки на грунт в основании сооружения нередко при-
ходится сталкиваться с пластовым строением грунтовой толщи. В этом
случае иногда необходимо считаться с залеганием в основании сооружения
двух или нескольких пластов грунта с различными характеристиками у,
<? и с.
В таких условиях для определения ркр оказывается полезным описы-
ваемый ниже метод, при котором поверхность скольжения принимается
очерченной по дуге круга. Этот метод, предложенный Феллениусом, при-
обретает особенно простое выражение для пластичных глинистых грунтов
(фда = 0). В таком виде метод круглоцилиндрических поверхностей скольже-
ния (линия скольжения в плоскости чертежа — дуга круга) приобрел зна-
чительное распространение за рубежом. Сущность этого метода заключается
в следующем (рис. 23-8).
Предполагается, что дуга линии скольжения во всех случаях проходит
через угловую точку А фундамента. Центр дуги скольжения располагается
в точке с координатами х и у несколько ниже поверхности грунта и сбоку
от фундамента. Цель расчета состоит в определении коэффициента запаса на
возможное вращение сооружения с подстилающим его грунтом по дуге
С АВ вокруг центра О. В этом случае
= . (23-41>
358
где Л4сопр— момент сопротивления всех реактивных сил относительно
той же точки;
Л4вр — момент вращения активных сил относительно точки О,
Используем уже известный нам прием переноса напряжений рсоор в
уровень СВ. В этом случае (см. формулу 22-38) по-прежнему
Ро== Рсоор 7^загл‘
Здесь рсоор — нагрузка на грунт в подошве фундамента, определяемая
конструктивными соображениями и подлежащая проверке
данным расчетом.
Тогда
P = 2pQb (23-42)
и момент вращения
MBp = Pd. (23-43)
Момент сопротивления Д4сопр складывается из произведения сил связ-
ности S, действующих по дуге скольжения L радиусом R, на плечо R дей-
ствия сил S, т. е.
Mconp = SR. (23-44)
S = (/12W1 + (23-45)
Здесь Z. — часть длины дуги скольжения в пределах некоторого пласта
грунта, характеризуемого связностью
Очевидно, что
L = (^i + 4 • • • + ^п)- (23-46)
Тогда
МСОпр = ( ^1 + ^2 + • • • + 'ZiWn ) (23-47)
Коэффициент запаса кзаи по выражению (23-41) с подстановкой в него
величин Мвр и Л4сопр соответственно из зависимостей (23-43) и (23-47) по-
лучит следующее выражение:
(Zi -f- Z2 Z/j YWn) В
^зап== рд
(23-48)
Очевидно, что при язап < 1 имеет место нарушение устойчивости осно-
вания сооружения. В этом случае для обеспечения его устойчивости с не-
обходимым коэффициентом запаса кзап (обычно /сзап = 1,5 ~ 2,0) возни-
кает необходимость снижения нагрузки /?соор на грунт в подошве или соот-
ветствующего увеличения его заглубления /гзагл.
Использование описываемого метода оказывается весьма простым при
заданном положении координат х и у центра О дуги вращения.
359
Для однородной толщи основания положение этой точки определяется
по графику рис. 23-9. Этот график составлен Г. Вильсоном на основании
теоретического решения задачи. При пластовом строении толщи координаты
точки О по этому графику могут быть определены лишь приблизительно.
В этом случае требуется провести несколько последовательных
контрольных расчетов с проведением дуги скольжения из некоторых
центров — О1, О %, ... , Оп, произвольно задаваемых вблизи точ-
ки О, с координатами х и у, определенными по графику Вильсона. При
Рис. 23-8. Расчетная схема по опреде-
лению ркр методом круглоцилиндриче-
ской поверхности скольжения
Рис. 23-9. График Вильсона для опреде-
ления координат у (кривая 7) и х (кри-
вая 2) центра вращения О
этом дуга скольжения во всех случаях проводится через краевую точку
фундамента А.
Коэффициент запаса язап, определяющий действительную степень устой-
чивости основания в заданных условиях, устанавливается по его мини-
мальному значению кзап.мин, найденному при контрольных расчетах.
В заключение отметим, что при однородном строении толщи метод Виль-
сона дает следующее выражение для определения критической нагрузки
Ркр-
Ркр = 5,52 (23-49)
Очевидно, что коэффициент запаса и для этого, случая определится из
выражения
= (23-50)
/'соор
360
Отметим, что предложенное Вильсоном выражение (23-49) весьма близко
к результату, полученному Хенки (выражение 23-9), которое в рассматри-
ваемых условиях при с = So, имеет вид
Ркр = 5’64
(22-51)
При использовании метода круглоцилиндрической поверхности сколь-
жения для сыпучих грунтов, жестких и скрытопластичных глин в расчет
должен вводиться присущий
им угол внутреннего трения
<р. В этом случае расчет про-
изводится в соответствии с
указаниями гл. 28.
Следует отметить, что пол-
ной потере устойчивости со-
оружения в рассматриваемых
условиях обычно предшест-
вует прогрессирующая во
времени его осадка (по интен-
сивности). На рис. 23-10 при-
водится характерный в этом
отношении пример разруше-
ния одного силоса. Силос
Рис. 23-10. Катастрофическое разрушение сило-
са в условиях чрезмерной нагрузки на грунт.
США, 1940 г. (по данным Л. Уайта)
имел следующие размеры:
ширина 26 = 15 м\ длина
68,5 л; высота 23,25 м. В ос-
новании силоса — пластич-
ные послеледниковые ленточ-
ные глины с прогрессирующей по глубине влажностью от 34 до 46%.
Проведенными исследованиями сопротивляемость грунта сдвигу в состоя-
нии его природной плотности-влажности была близка к = Е£4) =
= 0,5 кГ/см2.
Сооружение было воздвигнуто на мощной железобетонной фундамент-
ной плите, заложенной на 3,25 л от поверхности. Нагрузка на грунт была
допущена в пределах р0 =2,15 -? 2,5 кПсм2. К моменту аварии нагрузка
не превышала 2,15 кПсм2. Наблюдения за осадкой сооружения в период,
предшествовавший аварии, указывали на постепенно возраставшую интен-
сивность осадки силоса, что могло служить показателем развития во вре-
мени в основании сооружения пластических деформаций грунта, связанных,
между прочим, с возможностью его отдавливания из-под одного из краев
фундаментной плиты. За 6 месяцев наблюдения осадка силоса достигла
35 см с незначительным креном сооружения. Катастрофа произошла вне-
запно. Проведенные по указанному выше методу расчеты подтвердили
данные исследований.
361
В заключение следует отметить, что нарушение устойчивости сооруже-
ния, как следствие выпора грунта в их основании, происходит обычно
при чрезмерной нагрузке на грунт в подошве фундаментов сооружений
при слабом их развитии по ширине и малом заглублении. С другой стороны,
при большой ширине фундаментов даже при относительно малом их заглуб-
лении, выпор грунта из-под фундамента практически невозможен. В по-
добных случаях первенствующее значение в нарушении устойчивости со-
оружений приобретает возможное нарушение прочности грунта в краевых
зонах фундамента. Это явление сопровождается отдавливанием из-под
подошвы фундамента разрушенных масс грунта, опусканием его концевых
частей и возможным отсюда нарушением прочности самого сооружения в
условиях II фазы (локальные сдвиги). В этом отношении небезынтересным
примером может служить авария большого бака для китового жира в Фред-
рикстаде (Норвегия, 1952 г.)*.
Бак диаметром 25 м возводился на мощной толще слабых пластичных
глин с общим сопротивлением сдвигу (связностью) =0,31 кПсм2-.
Принятое давление на грунт в подошве фундаментной плиты рдоп не превы-
шало 1,12 кПсм2, что обеспечивало при проверке по формуле Скемптона
(см. формулу 23-39) коэффициент запаса устойчивости грунта на выпор
кзап = 1,7 (критическая нагрузка по Скемптону ркр = 0,66 кПсм2'). Несмот-
ря на это, бак при опытном наполнении его водой неравномерно просел и
накренился. Предельно допустимая нагрузка по формуле Маслова ( см.
формулу 22-63) определилась для данных условий значением рдоп =
= 1,12 кПсм2. При этом условии происшедшая авария является законо-
мерной.
* Л. Биеррум и А. Оверленд. Аварийное нарушение устойчивости
основания бака для китового жира в г. Фредрикстаде (Норвегия). Доклады IV Между-
народного конгресса по механике грунтов и фундаментостроению (1957, доклад 3 а/6
на английском языке).
ЧАСТЬ VII
УЧЕТ ОСОБЫХ УСЛОВИЙ ПРИ ОЦЕНКЕ ПРОЧНОСТИ
И ОБЩЕЙ УСТОЙЧИВОСТИ ОСНОВАНИЯ СООРУЖЕНИЙ
ГЛАВА 24
УПЛОТНЕНИЕ И СОПРОТИВЛЯЕМОСТЬ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ
ПОД НАГРУЗКОЙ ВО ВРЕМЕНИ
Природа процесса уплотнения. Мы имели уже случай отметить, что
обильно увлажненные скрытопластичные и пластичные разности глинис-
тых грунтов способны, как правило, уплотняться под нагрузкой от веса
сооружений во времени. Как показывает опыт, процесс уплотнения, или,
как часто говорят, консолидация, глинистых грунтов в основании соору-
жений под их весом идет достаточно медленно и требует для своего заверше-
ния нередко весьма длительных сроков, измеряемых многими годами и
даже десятилетиями. При этом условии минимальные значения сопротив-
ляемости сдвигу глинистых грунтов snp отвечают их природному состоянию
плотности-влажности &упр, а максимальные sp—состоянию плотности-
влажности wp, эквивалентных нагрузке.
Использование в расчетах по оценке прочности и общей устойчивости
оснований предельного (по максимуму) значения сопротивляемости сдвигу
sp во многих случаях может оказаться неоправданным и вызвать нежела-
тельные и даже катастрофические последствия. Вместе с тем использование
в этих целях начальной (природной) сопротивляемости сдвигу snp может
нередко повести к экономически неоправданным решениям. В этих усло-
виях возникает вопрос о сопротивляемости глинистых пород сдвигу sT
на тот или иной период времени Т, протекший со времени приложения к
грунту уплотняющей его нагрузки, например ко времени окончания стро-
ительства Тстр. Очевидно
^пр $р- (24" 1)
В зависимости от тех или иных условий величина sr может быть уста-
новлена двумя принципиально отличными друг от друга методами с учетом
следующего:
1) возникающего в грунте при приложении к нему нагрузки так назы-
ваемого порового давления ит ;
2) достигнутой при уплотнении грунта под этой нагрузкой его плотно-
сти-влажности Wt .
Теория порового давления (К. Терцаги) исходит из положения, что при
приложении к полностью водонасыщенному грунту (G — 1) нагрузки р0
363
вся эта нагрузка в первый момент времени воспринимается водой, заклю-
ченной в порах грунта, т. е. м0 = р0, что и ведет к появлению в ней того
или иного давления. Очевидно, что при этом на скелет грунта, т. е. на твер-
дые частицы, слагающие грунт, нагрузка совсем не передается. В этом
случае рск = р0 — и0 = 0.
Вместе с тем под напором, определяемым величиной возникающего по-
рового давления в этом периоде, начинается отход воды из грунта, сопро-
вождаемый его уплотнением. В дальнейшем по мере уплотнения грунта и
отхода из него воды поровое давление постепенно уменьшается и на момент
достижения грунтом плотности-влажности, эквивалентной нагрузке w ,
поровое давление снижается до нуля (ит = 0). В это время приложенная к
грунту нагрузка pQ будет полностью восприниматься его скелетом (рск =
= Ро) и процесс уплотнения грунта завершится.
Очевидно, что в соответствии с выражением (24-2), приведенным ниже,
сопротивляемость грунта сдвигу на момент приложения нагрузки при
uQ = р0 остается без изменения, т. е. равной своему исходному значению,
например природной нагрузке(s0 = snp). Вместе с тем при завершении про-
цесса уплотнения грунта, что отвечает положению ит = 0, сопротивляемость
грунта сдвигу будет соответствовать своему конечному значению, эквива-
лентному нагрузке р0, т. е. s . В соответствии с приведенными исходными
положениями теории порового давления сопротивляемость глинистого
грунта сдвигу в неконсолидированном состоянии на момент времени Т
(&г) после приложения к грунту нагрузки может быть принципиально
установлена по выражению
ST = (р0 — UT ) tg ф' + с'. (24-2)-
Здесь ф' — угол внутреннего трения нс' — сцепление грунта, определен-
ные способом открытого сдвига в состоянии эквивалентной
плотности-влажности w , отвечающие полному уплотнению
грунта под заданной нагрузкой;
ит — поровое давление, возникающее в воде, заполняющей поры в
грунте и воспринимающей в той или иной степени нагрузку,
приложенную к грунту (на момент времени Г).
Таким образом, в соответствии с теорией порового давления присущие
грунту угол внутреннего трения а/ и общее сцепление с' остаются в процес-
се его уплотнения неизменно постоянными и соответствующими состоя-
нию полного уплотнения грунта под заданной нагрузкой, т. е. ему эквива-
лентными. При этом условии изменение сопротивляемости грунта сдви-
гу в процессе его уплотнения от значения snp до величины sp идет лишь за
счет изменения во времени воздействующего на грунт нормального напря-
жения от 0 до Ро-
Выражение (24-2) часто используется за рубежом для ускорения опытов
по определению ф' и с'. В этом случае опыт проводится по схеме «открытого»
364
сдвига (т. е. с допущением свободного отхода из образца воды по мере его
уплотнения). Сдвиг производится в любой момент времени Т действия на
образец уплотняющей его нагрузки р, но с обязательным замером по-
средством довольно сложных приборов возникающего в грунте на этот
момент времени порового давления ит.
Очевидно, что для использования выражения (24-2) в указанных целях,
т. е. для установления сопротивляемости сдвигу грунта st в неконсо-
лидированном состоянии на любой момент времени Т, мы должны распо-
лагать соответствующим аппаратом по определению самой величины ит.
Само собой разумеется, что процесс уплотнения грунта должен идти при
этом в соответствии с исходными положениями теории порового давления.
Однако опыт свидетельствует, что такое положение имеет место лишь при
соблюдении особых условий. Прежде всего отметим, что повышение давле-
ния в поровой воде оказывается возможным только при взаимном сближе-
нии твердых частиц, слагающих грунт, или при непосредственном восприя-
тии нагрузки водой в целиком разжиженной грунтовой массе. Лаборатор-
ный эксперимент и опыт строительства с несомненностью свидетельствуют
о том, что перемещению частиц в грунте и вместе с тем его уплотнению во
времени в общем случае препятствуют:
а) жесткие структурные связи (структурное сцепление сс);
б) вязкость породы, находящая свое выражение в присущей ей связ-
ности и оцениваемая по величине коэффициента вязкости tq;
в) низкая водопроницаемость глинистых грунтов, препятствующая
более или менее быстрому отходу из грунта воды, отжимаемой из его пор
в процессе уплотнения грунта под нагрузкой (показатель — коэффициент
фильтрации 2<ф грунта).
В зависимости от природных свойств грунта и степени его водонасы-
щения в процессе уплотнения грунта на некоторой его стадии могут пре-
валировать те или другие из указанных выше факторов. Так, например,
при малой вязкости породы (слабые консистенции) и отсутствии в ней жест-
ких структурных связей перемещение частиц происходит почти беспрепятст-
венно. При этом условии скорость уплотнения водонасыщенных глинис-
тых грунтов в текуче-пластичной и тем более в текучей консистенции и с
нарушенной структурой, как правило, находится в ярко выраженной за-
висимости от их водопроницаемости и величины гидравлического градиен-
та, возникающего под нагрузкой в воде, заполняющей поры в грунте.
В этом случае приложенная к грунту нагрузка действительно в первый
момент воспринимается поровой водой и лишь постепенно передается на
скелетную часть грунта, вызывая его уплотнение и повышение сопротив-
ляемости сдвигу. Тем самым первое исходное условие теории порового
давления в данном случае удовлетворяется. В другом положении находятся
жесткие (коренные) глинистые породы и грунты в твердой, полутвердой
и отчасти в тугопластичной и даже пластичной консистенции. Уплотняе-
365
мости жестких пород будет препятствовать присущееим структурное сцепле-
ние. Скорость уплотнения скрытопластичных глинистых грунтов будет
определяться их вязким сопротивлением. Очевидно, что в данном случае
описанный выше процесс уплотнения грунтов будет идти в обратном
порядке. При этом условии нагрузка в первой стадии уплотнения грунта
будет восприниматься его структурным скелетом и будет передаваться
на поровую воду лишь постепенно, по мере деформации самого грунта.
Эта закономерность, в корне противоречащая исходным положениям теории
порового давления, была впервые обнаружена автором настоящего труда*
и полуйила в дальнейшем подтверждение работами ряда советских иссле-
дователей и в том числе В. М. Павилонского, В. И. Руденко, С. С. Бабиц-
кой. Очевидно, что в описываемых условиях ход процесса уплотнения водо-
насыщенного грунта будет тормозиться и определяться не только водоне-
проницаемостью грунта, но и проявлением его внутренних сил связности
или даже структурного сцепления.
Вместе с тем работами В. И. Руденко** и других*** была отмечена несо-
стоятельность теории порового давления применительно к неполностью
водонасыщенным (газосодержащим) и пластичным глинистым грунтам с
малыми углами внутреннего трения. При неполном водонасыщении грунта
передача давления на скелет грунта в первой стадии процесса его уплотне-
ния и лишь постепенное во времени нарастание порового давления — не-
сомненны. При этом условии по теории порового давления в соответствии
с выражением (24-2) сопротивляемость грунта сдвигу в начальной стадии
процесса должна быть выше, чем на последующих, что в корне противоречит
опыту строительства. Вместе с тем в соответствии с этой теорией и снова с
выражением (24-2) уплотнение грунта будет лишь в самой малой степени
сказываться на повышении сопротивляемости сдвигу обильно увлажнен-
ных жирных глинистых грунтов с малыми углами внутреннего трения,
что снова полностью противоречит нашему опыту. Помимо этого, трудно
согласиться с положением о неизменности значений углов внутреннего
трения и сцепленияас' глинистых грунтов при различном состоянии их
плотности, хотя бы в свете явно установленной зависимости этих показа-
телей от плотности применительно к сыпучим грунтам.
Приведенные выше данные и соображения, подтвержденные опытом
строительства, свидетельствуют об ограниченном практическом значении
теории порового давления в установлении сопротивляемости сдвигу гли-
нистых грунтов в неконсолидированном состоянии и о явном преимущест-
* Н. Н. Маслов. Условия устойчивости склонов и откосов. Госэнергоиздат,
1950—1955, стр. 122—125.
** В. И. Р у д е н к о. К вопросу о сопротивляемости глинистых грунтов сдвигу
в условиях незавершившейся консолидации. Материалы Всесоюзного совещания.
Таллин, 1965.
*** В. К. Hough. Basic soils Engineering, No. I, 1957.
366
ве использования в рассматриваемых целях теории плотности-влажности,
выдвинутой в свое время автором настоящей работы*. Сущность этого
метода, как уже отмечалось выше, состоит в установлении показателей
сопротивляемости сдвигу глинистых грунтов и cw) на некоторый момент
времени Т после приложения нагрузки по графикам вида рис. 8-17—8-21
применительно к плотности-влажности грунта, достигнутым к этому вре-
мени в грунте под нагрузкой, т. е. ©г и с?. Сама величина сопротивляемо-
сти грунта сдвигу sr на это время будет определяться по зависимости та-
кого вида:
sT = р tg + ст. (24-3)
Очевидно, что в этом случае, в отличие от теории порового давления, на-
грузка, приложенная к грунту, в течение всего процесса его уплотнения
принимается постоянной, в противовес значениям срги ст , которые при этом
претерпевают изменение в сторону повышения. Такой подход к решению
задачи представляется логичным. Для использования теории плотности-
влажности в рассматриваемых целях таким образом оказывается небхо-
димым устанавливать величину срг и ст на время Т или как исходную для
них величину — плотность-влажность wT .
Очевидно, что этот вопрос должен разрешаться применительно к
возможным вариантам процесса уплотнения глинистых грунтов в усло-
виях, определяемых:
1) их фильтрационным режимом (фильтрационная консолидация);
2) вязкой деформацией скелета грунта;
3) совместным режимом фильтрационной и вязкой деформации. ’
Из приведенных рассуждений явствует трудность надежного прогноза
скорости уплотнения глинистых грунтов во времени. При этом условии при-
обретает большое значение полевой контроль достигнутой в натуре степени
уплотнения грунта. Такой контроль может выполняться путем замера в на-
туре специальными приборами действующего в грунте порового давления
«т’И путем определения достигнутой по времени Т в процессе уплотнения
грунта под весом сооружения плотности-влажности грунта wT. Второй
вариант контроля как принципиально, так и с практической точки зрения
является значительно более простым в осуществлении.
Методы прогноза скорости уплотнения глинистых грунтов в условиях
фильтрационной консолидации. Первым шагом в рассматриваемом прог-
нозе является установление возможности его использования в каждом дан-
ном частном случае. Как это было уже указано ранее, возможность его ис-
пользования в практических целях применительно к глинистым грунтам
с нарушенной структурой в текучей и текуче-пластичной консистенции не
вызывает особых возражений. Гораздо более сложным в этом плане оказы-
вается вопрос об условиях уплотнения глинистых грунтов с ненарушенной
* Н. Н. Маслов. Прикладная^механика грунтов, стр. 58—81. 1949 г.
367
структурой вообще и в более тугих консистенциях в частности. Строитель-
ная практика располагает большим числом примеров значительного не-
соответствия данных теоретического прогноза и материалов натурных
наблюдений !по скорости уплотнения глинистых грунтов в основании со-
оружений. Это обстоятельство вынуждает, в особенности применительно
Рис. 24-1. Характер уплотнения тяжелого
мягкопластичного аллювиального суглин-
ка в виде зависимости влажности w по-
роды от времени t при различной высо-
те h испытуемых образцов
к глинистым грунтам с ненарушен-
ной структурой, использовать для
оценки возможности применения
описываемого ниже метода прогно-
за фильтрационной консолидации
те или иные приемы, более объек-
тивные и убедительные, чем ви-
зуальные. Один из этих методов
заключается в сопоставлении дан-
ных опытов по скорости уплотне-
ния обследуемого грунта под ин-
тересующей нас нагрузкой в об-
разцах с различной высотой (рис.
24-1). В основу этого приема по-
ложена исходная зависимость гид-
родинамической схемы, согласно
которой длительность обжатия t
глинистого слоя возрастает про-
порционально квадрату мощностей
h сопоставляемых слоев той же
породы, т. е.
/ h \2
= . .. (24-4)
В общем случае эта закономерность может быть выражена в следующей
форме*
Г h 1п
(24^
В этих выражениях
ti и t2 — длительность уплотнения до некоторого равного состояния (на-
пример, по влажности грунта Wi — w2) образцов породы соот-
ветствующей высоты hi и h2;
п — показатель консолидации, отражающий различные условия уп-
лотнения грунта.
* Н. Н. Маслов. Инженерная геология (Основы геотехники); 1941 г.;
Н. Н. Маслов. Прикладная механика грунтов 1949 г.; В. А. Флорин. Одно-
мерная задача уплотнения сжимаемой пористой ползучей земляной среды. «Из-
вестия АН СССР. Отд. техн, наук», 1953, № 6; Н. Н. М а с л о в. Условия устой-
чивости склонов и откосов. 1950—1955 гг.
368
Из выражения (24-4л) следует, что
(24-5)
Как показывает опыт строительства и эксперименты, при значениях
показателя консолидации в пределах 0 п < 2,0 в процессе уплотнения
грунта сказываются оба фактора, причем роль фильтрационного процесса
возрастает по мере приближения показателя п к двум.
Наконец, при п - 2 в соответствии с теорией консолидации можно
говорить о ясно и полно выраженной роли фильтрационного режима в
процессе уплотнения грунта под нагрузкой. Вместе с тем при п = 0 фильт-
рационный режим в процессе уплотнения грунта не будет играть никакой
роли.
Согласно опытам, результаты которых нашли свое отражение на
рис. 24-1, влажность грунта wT = 38% была достигнута через 4 ч для образ-
ца высотой 4,3 см и соответственно через 1 ч для образца высотой 2,17 см.
Тогда согласно выражению (24-5) п = -~ = 2. Следовательно, в данном
случае скорость уплотнения грунтов подчинялась фильтрационному ре-
жиму. Тем самым в этом случае утверждалась закономерность использо-
вания метода прогноза, описываемого ниже. Как показывают обширные
лабораторные и полевые исследования Л. С. Амаряна, закономерность
(24-4) оказывается справедливой и для оснований, сложенных торфом*.
Возможный характер протекания процесса уплотнения глинистого грунта
в соответствии с исходными положениями теории фильтрационной консо-
лидации в лабораторных условиях иллюстрируется рис. 24-2.
Характер кривой w = f(T) достаточно хорошо описывается зависимо-
стью
Wj. ^нач (^нач ^кон) ^вр'
(24-6)
Здесь wT — влажность грунта на время Т;
^начи ^кон- соответственно начальная и конечная влажность грунта
(очевидно, что е^кон = w , где wp —влажность, эквивалентная
данной нагрузке р);
£/вр — коэффициент времени, или, как часто его называют, коэффи-
циент степени консолидации — безразмерная величина.
Величина коэффициента времени £/вр определяется свойствами грунта,
* Л. С. А м а р я н. Исследование фильтрационной консолидации. Всесоюзное
совещание. Таллин, 1965, стр. 143.
369
условиями его загружения и работы под нагрузкой. Очевидно, что во всех
случаях
0<С/вр<1-
(24-7)
При (7вр = 0 (начальный период, момент приложения к грунту нагруз-
ки) wT = &Унач, а при /7вр = 1 (конечный период уплотнения грунта под
нагрузкой р) имеем wT = wK0H = wp .
Для оценки промежуточных значений коэффициента времени на тот
или иной период времени Т может быть использована зависимость, предло-
женная Н. М. Герсевановым:
т J ! 8 / -N 1 . 1 -25W , \ „
^вр — 1 — ( е + е + а (24-8)
Здесь N — некоторое безразмерное число (показатель);
е — основание натуральных логарифмов.
Д/штельносгпь гюжатия Т у
Рис. 24-2. Процесс уплотнения образца лег-
кого суглинка в лабораторных условиях
(р = 3,0 кГ/ся?, h = 2 см):
1 — расчетная кривая, построенная по формуле (24-6);
2 — то же, по опытным данным
Выражение (24-8) относится
к случаю решения одномерной
задачи консолидации грунта и
сохранения уплотняющего дав-
ления по всей глубине z слоя
постоянным (р2 = const). Для
практических целей представля-
ется возможным ограничиться
первым членом ряда (24-8). То-
гда коэффициент времени С/нр
будет определяться из выраже-
ния
• (24-9)
Число N в выражении (24-8) определяется по формуле
Д Г _ СУ у
4 ’ Я2 1 ‘
(24-10)
Здесь cv — коэффициент консолидации, см2!сек‘,
Н — расчетная мощность слоя, уплотняющегося под нагрузкой;
Т —время, протекшее со времени приложения нагрузки.
Входящий в выражение (24-10) коэффициент консолидации cv опреде-
ляется по зависимости
(1 + Еср)
а Дв
(24-11)
370
где Кф— коэффициент фильтрации, отнесенный к средней плотности
грунта, см/сек;
scp — коэффициент пористости грунта (безразмерная величина);
Лв — объемный вес воды, равный 0,001 кПсм.3-,
а — коэффициент уплотнения, смЧкГ.
Обозначим коэффициент пористости грунта в начальном периоде (до
приложения уплотняющей нагрузки) через енач и конечное его значение
(после завершения уплотнения) — через екон.
Тогда
•“"‘"V'10" (24-12)
Вместе с тем коэффициент уплотнения а определяется из выражения
(24-13)
Рис. 24-3. Значение коэффициента времени (7вр в
зависимости от числа N по выражению (24-10):
1 — для числа N при постоянном давлении по глубине
толщи; 2 — то же, для чисел N при падении давления
по глубине толщи по закону треугольника
£нач екон
а =----------
Р
где р — уплотняющая нагрузка.
Размерность коэффициента уплотнения — обратная напряжению, т. е.
см?1кГ.
При решении задачи рассматриваются два возможных варианта усло-
вий уплотнения слоя глинистой породы.
Первый вариант. Отток отжимаемой из грунта при его уплот-
нении воды возможен лишь
в одну сторону (подсти-
лание уплотняющего слоя
водонепроницаемой поро-
дой).
Второй вариант.
Возможно двустороннее
дренирование воды из слоя
(открытая поверхность и
повышенная водопроница-
емость вмещающей или
подстилающей породы).
При уплотнении грун-
та в условиях первого ва-
рианта в расчет вводится
в качестве расчетной пол-
ная мощность уплотняю-
щегося слоя. При двусто-
роннем дренировании (вто-
рой вариант) расчетная
мощность слоя Н в этой
и всех последующих фор-
371
мулах отвечает половине мощности этого слоя. В последнем случае пол-
ная мощность слоя, очевидно, будет 2Я.
На рис. 24-3 приведен график зависимости коэффициента времени UB?
от числа N. Этот график, а также табл. 22 составлены для двух случаев
распределения давления по глубине в грунтовой толще: 1
а) для значения числа Nn.A — при постоянном значении давления по
глубине толщи (рг = const);
б) то же, для чисел Ятр — при падении давления по глубине толщи
по закону треугольника [pz = f (z)].
Случай (а) отвечает в основном задачам с ограниченной мощностью
уплотняемого слоя. Случай (б) используется обычно при значительной
мощности уплотняемого слоя и, как мы это увидим из дальнейшего, при
прогнозе скорости нарастания осадки сооружения (см. гл. 34).
Обозначим период, необходимый для полного уплотнения (стабилиза-
ции) грунта под данной нагрузкой р, через Тстаб. Зависимость £/вр =/(Я)
носит асимптотический характер (см. табл. 22 и рис. 24-3). При этом усло-
вии представляется целесообразным ограничить Явр некоторой конкретной
величиной N, приняв, например, для практических целей, что полная кон-
солидация грунта при постоянном по глубине слоя давлении на время
Тстаб отвечает значению числа Nn^ =2,8. Этому значению Яп.д соответст-
вует UB? =0,95, или 95% от полной консолидации грунта.
Таблица 22
Значения чисел Nn д (постоянное давление) и 7Утр (при давлении
по закону треугольника) при разных величинах коэффициента времени £/вр
^вр ^п. д ^тр ^вр ^П. д ^тр
0,05 0,005 0,002 0,55 0,59 0,32
0,10 0,02 0,005 0,60 0,71 0,42
0,15 0,04 0,02 0,65 0,84 0,54
0,20 0,08 0,03 0,70 1,00 0,69
0,25 0,12 0,04 0,75 1,18 0,88
0,30 0,17 0,06 0,80 1,40 1,08
0,35 0,24 0,09 0,85 1,69 1,36
0,40 0,31 0,13 0,90 2,09 1,77
0,45 0,39 0,18 0,95 2,80 2,54
0,50 0,49 0,24
Отсюда из выражения (24-10) следует, что
те2 г
N = = (24-14)
или
Тс1а6=1,13^. (24-15)
372
Введем новый показатель — обобщенный коэффициент консолидации
С с размерностью, обратной времени (Н)
Ск=>. (24-16)
Учитывая выражение (24-11), мы можем написать при прежних обо-
значениях, что
_ Кф(1 + еср) (24-17)
тогда по формулам (24-15 и 24-16)
1 1 з
Тстаб=-^_ (24-18)
или приближенно
7’с„б=-У. (24-19)
Таким же порядком может быть найдено время Тстаб для случая тре-
угольной нагрузки
Гстаб=-^. (24-20)
Выражения (24-18) — (24-20) дают возможность, зная величину обоб-
щенного коэффициента консолидации Ск, приближенно определить, какой
понадобится срок для практически полного уплотнения грунта в данных
условиях с достижением им под заданной нагрузкой эквивалентной влаж-
ности wp, а вместе с тем и полной мобилизации своей сопротивляемости
сдвигу sp. Так, например, если для заданных условий обобщенный коэффи-
циент консолидации окажется равным С = 0,25 год-1, то грунт в рассматри-
ваемом слое окажется уплотненным на 95% от своего конечного состояния
согласно выражению (24-19) через 4 года после приложения к нему нагрузки.
Очень часто описываемый анализ заканчивается сопоставлением полу-
ченной величины Тстаб с длительностью строительного периода Тсгр. Оче-
видно, что при соблюдений условия Тстр> Тстаб расчет устойчивости со-
оружения может быть выполнен с учетом полного уплотнения грунта под
его нагрузкой с использованием выражения (8-29). В противном случае
неизбежно использование всего приведенного выше расчетного аппарата
для установления плотности-влажности w грунта на время ввода сооруже-
ния в эксплуатацию ТС7р и последующего определения сопротивляемости
грунта сдвигу на этот срок, например, по выражению (8-26). В этом случае
необходимо прежде всего установить величину cv по выражению (24-11),
определив предварительно лабораторным путем все необходимые для этого
показатели. Затем, зная cv и расчетную мощность уплотняемого слоя Н,
373
мы, задавшись определенным сроком времени, например временем 7CTpj
находим по (24-10) величину N. Далее, используя рис. 24-3 или табл. 22,
по числу N находим отвечающее ему значение коэффициента времени П
Зная же эту величину, мы имеем возможность найти влажность грунта
&устр по выражению (24-6), что и требовалось.
Наиболее просто и вместе с тем более уверенно рассматриваемый прог-
ноз может быть выполнен, используя непосредственно данные опыта по
примеру рис. 24-2. Для этого мы прежде всего должны установить по гра-
фику время уплотнения образца до 95% стабилизации 7стаб. Затем по выра-
жению (24-18) или (24-19) для данного опыта находим величину обобщен-
ного коэффициента консолидации ^к.оп, т. е.
г _ М3
ж.on Т
стао. оп
(24-21)
Подставив Ск. оп Для условий опыта из выражения (24-16) в (24-19),
получим
^ou=VK.0nT°n. (24-22)
Задаваясь различными сроками времени Топ, мы можем найти по выра-
жению (24-22) отвечающие им значения Non и далее по рис. 24-3 или табл. 22
соответствующие им значения коэффициента времени Пвр. После этого
по выражению (24-6) мы имеем возможность найти влажность грунта щ:)П
на те или иные сроки времени Топ и построить для данного случая кривую
^оп =f (Топ)- Такой расчет для рассматриваемого примера выполнен.
Полученная кривая нанесена на тот же график 24-2. Отмечается хорошая
сходимость в данных условиях опытных и расчетных данных.
При использовании полученных данных для прогноза условий уплот-
нения слоя с расчетной мощностью Нсл, из которого был отобран для опыта
образец, мы должны использовать приведенную выше зависимость (24-4),
которая в рассматриваемом случае примет вид
[Н “)2
44 • (24-23)
rton J
Зная влажность грунта wTt полученную в опыте на период Топ, мы можем
установить по выражению (24-23) время Тсл, которое потребуется для уп-
лотнения слоя того же грунта с расчетной мощностью Н до той же плот-
ности-влажности Wt.
Анализ приведенных выше выражений показывает, что в условиях
фильтрационной консолидации при прочих равных условиях длительность
уплотнения грунта возрастет прямо пропорционально квадрату мощности
374
слоя и обратно пропорционально коэффициенту фильтрации Кф породы,
т. е.
= (24-24)
Исключительное значение в описываемом процессе имеет величина ко-
эффициента фильтрации Кф уплотняемого грунта в силу изменения этого
показателя в очень широких пределах в зависимости от состава породы.
В самом деле, коэффициент фильтрации для самого тонкозернистого пыле-
ватого песка может быть ориентировочно оценен величиной Кф.п =
= 5-1CL4 см!сек, или около 0,5 м!сутки, а для глинистого грунта Кф.гл =
= 5-10~8 5-10-12 см!сек, или 5-10~5 ч- 5-10“9 м/сутки.
Отсюда видно, что при равных исходных условиях скорость уплотне-
ния песчаного грунта в десятки, сотни тысяч и миллионы раз больше, чем
глинистого. Поэтому вопрос о длительности уплотнения песчаных грунтов
теряет практический смысл, тем более, что уплотняемость песчаных грун-
тов под статической нагрузкой сама по себе является весьма слабой. Вместе
с тем вопрос о длительности уплотнения глинистых грунтов во всех слу-
чаях имеет самое существенное значение и никак не должен упускаться из
внимания.
Приведенное выше решение задачи фильтрационной консолидации
грунта относится, как это уже указывалось ранее, к случаю, когда обжи-
мающее напряжение по всей глубине z уплотняемого слоя сохраняется
постоянным (pz = const).
Как это уже указывалось выше, механика грунтов располагает мето-
дами прогноза фильтрационной консолидации грунтов и при других за-
конах распределения давления. Известны решения для случая постепен-
ного во времени нарастания нагрузки на грунт, отвечающего условиям
постепенного возведения сооружения (по линейному закону). В простей-
шем случае учет этого обстоятельства при определении времени Тстаб и
главное плотности-влажности грунта га»стр к концу строительного периода
Тстр достигается введением в расчет вместо нагрузки рсоор расчетной ее
величины ррасч = -^-Рсоор- Известны решения для случая плоской и
пространственной задачи, осесимметричной задачи уплотнения грунтов
при помощи вертикальных дрен и т. д.*.
* Например: Н. Н. В е р и г и н. Консолидация грунта под гибким фундаментом.
«Основания, фундаменты и механика грунтов». 1961, № 5; Гибсон Р. и Мак-
Н а м е И. Задача о консолидации грунтов в условиях равномерной нагрузки, распре-
деленной по площади треугольника (на англ яз.). Proc, of the IV Intern. Conf, on Soil
Meeh. London, 1957 (в кратком изложении на русском языке см.: Н. Н. Маслов.
Проблемы устойчивости и деформации грунтов. Госэнергоиздат, 1961, стр. 115); Bar-
ron. Consolidation of fine grained soils by drain wells; Proc. Am. Soc. Civ. Eng. V. 113,
1948.
375
Все эти методы ничем принципиально не отличаются от рассмотрен-
ного выше и во всех случаях базируются на определении значения коэффи-
циента времени £7вр и коэффициента консолидации cv, соответствующих
тому или иному закону распределения давления в грунтовой толще. По-
мимо этого, результаты решений рассматриваемых задач в большинстве
случаев оказываются достаточно близкими*. В силу этого они здесь не
рассматриваются.
Следует подчеркнуть, что все теоретические методы прогноза фильтра-
ционной консолидации грунтов отличаются известной приближенностью
и далеко не во всех случаях дают результаты, совпадающие с наблюденными
в натуре**. Это является результатом влияния ряда факторов, в том числе
условности, заключающейся в постановке одномерной задачи, что значи-
тельно упрощает решение.
Решения плоской и тем более пространственной задач страдают исклю-
чительной громоздкостью, лишающей их практической ценности, и неоправ-
данной приближенностью решений в связи с влиянием других факторов.
Кроме того, определение коэффициента фильтрации для глинистых грунтов
само по себе является более чем условным, и, помимо этого, коэффициент
фильтрации в процессе уплотнения грунта не остается постоянным и
уменьшается во времени***.
Метод прогноза скорости уплотнения глинистых грунтов, не подчиняю-
щихся закону фильтрационной консолидации. Как это уже отмечалось
выше, уплотнение глинистых грунтов во времени далеко не во всех случаях
следует закону фильтрационной консолидации. В нарушении этого закона
самую существенную роль могут играть структурное сцепление сс, дейст-
вующее в грунте, и присущая ему в тугих консистенциях вязкость, а также
особые формы текстуры грунта, например микрослоистость. Влияние этих
факторов на процесс уплотнения глинистых грунтов сразу же усматри-
вается при сопоставлении результатов опытов с различной высотой образ-
цов по выражению (24-4):
t —t ГА1"
2“~ I *
Как это уже указывалось выше, показатель консолидации может ле-
жать в пределах 0 2. Очень часто он оказывается близким к п =
* Это подтверждается, например, видом кривых рис. 24-3.
* * Например: В. Г. Булычев. О методике расчета консолидации слабых
водонасыщенных грунтов. Материалы Всесоюзного совещания. Таллин, 1965, стр.193;
И. Н. Щербина. О расчетах устойчивости откосов Земляных плотин и дамб
на слабом основании. Там же, стр. 162.
* ** См., например: Доклады на V Международном конгрессе по механике грун-
тов (1961 г.): Ж- Мандель. Осадка вследствие консолидации слоя глины, нахо-
дящегося на глубине (3 А/29); X. А б о ш и иХ. Монден. Трехмерная консоли-
дация водонасыщенных глин, 3 А/1.
376
= 1,5. Примером такого положения может служить рис. 24-4. Здесь при-
водятся данные испытаний образцов различной высоты озерной глины под
нагрузкой р =0,5 кПсм2. Установлено, что для уплотнения грунта до
состояния плотности-влажности w — 34,6% для образцов высотой =
= 2 см и Л2 — 5 см потребовалось соответственно Ц = 35 мин и t2 =
= 140 мин. Тогда по выражению (24-5)
140
35
п =------— = 1,52 1,50.
1 5
1п^~
При показателе консолида-
ции п, отличном от двух, т. е.
при пф2, во избежание грубых
ошибок возможность использо-
вания для прогноза режима уп-
лотнения грунта метода фильтра-
ционной консолидации исклю-
чается. Примерное представле-
ние о длительности процесса уп-
лотнения глинистых грунтов в
рассматриваемых условиях мо-
жет быть получено исходя из
следующих соображений. В ос-
нову этого прогноза может
быть положена известная уже
нам зависимость (24-4'), кото-
рая применительно к данным
условиям приобретает такой вид:
Рис. 24-4. Процесс уплотнения озерной гли-
ны под нагрузкой ро = 0,5 кПсм2, в образ-
цах различной высоты:
А — образцы высотой = 2 см,\ В — то же, при
Л2 = 5 см
(24-25)
т
сл
Здесь Тсл и /оп — соответственно время, потребное для достижения неко-
торой плотности-влажности грунта в слое с расчетной
мощностью Нсл и в образце высотой hon;
п — показатель консолидации, установленный опытами с
уплотнением образцов различной высоты под нагрузкой
р, отвечающей реальным условиям; определяется по
выражению (24-5).
Пример. На основании опытов с испытанием образцов различной
высоты найдено значение показателя консолидации /1=1,0. Расчетная вы-
сота образца большей высоты, положенного в основу прогноза, hon =5 см.
Расчетная мощность уплотняемого слоя Ясл=125 см. Время, потребовав-
377
шееся для уплотнения образца грунта высотой 5 см под нагрузкой р, ока-
залось близким к /оп=20 суток. Тогда уплотнение слоя в реальных усло-
виях под той же нагрузкой р потребует в соответствии с выражением
(24-25)
Тсл = 20^^|^| =500 суток,
т. е. почти 1,5 года.
Как видим, в данном примере, как и в выше описанном методе, необ-
ходимо располагать сведениями о расчетной мощности слоя Нсл. Отметим
здесь, что Ясл далеко не во всех случаях отвечает действительной мощности
уплотняемого слоя. Этот вопрос будет рассмотрен в дальнейшем.
ГЛАВА 25
НАЧАЛЬНЫЙ ГРАДИЕНТ И ЕГО ЗНАЧЕНИЕ В ВОЗМОЖНОЙ
КОНСОЛИДАЦИИ ОСНОВАНИЯ
Фильтрация в глинистых грунтах, как показали в своих работах совет-
ские ученые, возможна лишь при величинах гидравлического градиента
выше некоторого начального его значения /нач*. При градиентах меньше
/нач грунты становятся практически водонепроницаемыми. Величина /нач
для разных грунтов различна и зависит от их состава и состояния по плот-
ности. Нередко она оказывается близкой к 10 и в некоторых случаях дости-
гает 30—50. Уплотнение водонасыщенных глинистых грунтов связано
с отжатием из них излишних объемов воды. Этот отход происходит под дей-
ствием некоторых гидравлических градиентов отжатия /отж, определяе-
мых величиной приложенной к грунту нагрузки и длиной пути, который от-
жимаемая из грунта вода должна пройти. Градиент /отж достигает в гли-
нистом пласте своего максимума на поверхностях контакта с дренирующими
слоями. По мере удаления от дренирующего слоя величина /отж падает
и при дренировании глинистого пласта с двух сторон оказывается наимень-
шей на середине толщины слоя, изменяясь по глубине по некоторому за-
кону, определяемому уплотнением грунта во времени. При этом может
оказаться, что в некоторых зонах глинистого слоя /отж будет меньше /нач.
В таких зонах отжатия воды не произойдет. В этом случае плотность и
влажность грунта останутся здесь на все время или во всяком случае на
очень длинные сроки равными исходным ^пр, а процесс уплотнения огра-
ничится лишь достаточно узкими зонами, прилегающими к контактным го-
ризонтам, где /Отж>/Нач- Во всех подобных случаях благотворная роль
* См., например, и в первую очередь: С. А. Р о з а. К расчету деформации гли-
нистых грунтов с учетом свойств связанной воды. ЛО ВНИТО строителей, вып. IX.
1947; С. А. Роза. Осадки гидротехнических сооружений на глинах с малой влаж-
ностью. «Гидротехническое строительство», 1950, № 9.
378
нормальных напряжений на прочность и устойчивость глинистого грунта
еще в большей степени ограничивается. Известное представление об усло-
виях проявления описываемого явления могут дать следующие рассуждения
(рис. 25-1). Допустим, что на некоторой глубине в безводной толще, загру-
женной с поверхности нагрузкой р0> кПсм?, залегает глинистый сл'ой мощ-
ностью Н. В данном случае этот слой дренируется только в одну сторону —
Рис. 25-1. Схема приближенной оценки возможного влия-
ния на уплотнение слоя начального градиента /нач
вверх. При двустороннем дренировании слоя результаты нашего рассужде-
ния остаются полностью справедливыми для верхней его половины и полу-
чают зеркальное отображение для нижней половины слоя. Его мощность
была бы тогда уже 2 Н. Глинистый слой, воспринимая падающую на него
нагрузку, уплотняется. Задача рассматривается как одномерная. Нагрузка
падающая на уплотняемый слой, остается при этом равной р0, т. е.
pz =р0. Подобные условия возникают при большой ширине загруженного
участка (В = 2 &) и относительно малых заглублениях рассматриваемого
слоя и его мощности Н. Допустим, что начальная пористость грунта в слое —•
п. Допустим также, что согласно проведенным исследованиям начальный
градиент слоя грунта /нач. Переход от пористости грунта п к интересующей
нас влажности w при полном водонасыщении грунта (/ = 1,0) может быть
выполнен при этом по формуле, вытекающей из выражений (7-16) и (7-12),
w = -7. -п .-------------* (25-1)
(1—v '
Допустим далее (допущение справедливо лишь для некоторого периода
времени в процессе уплотнения грунта), что скорость его уплотнения остает-
379
ся в течение всего этого периода постоянной. Выразим эту скорость через
потерю пористости п грунта' во времени t. Обозначим полученную величину
через [1 и назовем ее коэффициентом статического уплотнения. Тогда
(25-2>
Очевидно, что скорость уплотнения грунта в принятых условиях (G=
= 1,0) будет одновременно свидетельствовать о количестве (расходе) воды,
отжимаемой за единицу времени из единицы объема грунта под влиянием
воздействующей на него нагрузки. Выделим в рассматриваемом слое на
глубине z от его кровли элементарный слой с мощностью dz. В процессе
уплотнения грунта через этот горизонт с площадью со за единицу времени
должна просочиться вся вода, отжимаемая за это время из нижерасположен-
ной части слоя с мощностью (Я—z).> Этот расход qz на горизонте z будет
qz = сор. (Я — z); (25-3)
с другой стороны, пропуск этого расхода через элементарный слой dz воз-
можен лишь при наличии действующего здесь гидравлического градиента
отжатия
т _ dhz отж (25-4)
отж ’ dz '
Здесь hz отж — напор отжатия.
Тогда по закону Дарси
= (25-5)
Сопоставляя выражения (25-4) и (25-5), получим
dhz==^-{H — z\dz. (25-6)
Аф
Интегрируем это выражение исходя из условия, что при z=0, т. е. на
контактной поверхности уплотняемого слоя и дренажа, hz =0.
й2= —2]dz, (25-7)
!г=-^\нг-ф
Аф Z
(25-8)
Как видим, зависимость напора отжатия hz=f(z) слоя носит параболи-
ческий характер (см. левую часть рис. 25-1). Очевидно, что при г=0 и при
г=Я будем иметь соответственно
/г2 = 0
380
Для определения градиента отжатия I z отж по выражению (25-4)
необходимо продифференцировать выражение (25-8) по z. Тогда
I = ^ = ^-(H~z). (25-10)
г отж dz \ \ )
Как видим, эта зависимость носит уже линейный характер (см. правую
часть рис. 25-1). /отж. мин=0 (для подошвы слоя при z=H)-,
I = Н
отж.макс ТСф
(при 2=0, т. е. в кровле слоя). Таким образом, оказывается, что градиент
отжатия возрастает с облегчением сжимаемости грунта в слое (сла-
бая консистенция, малая плотность, повышенная нагрузка — фактор jx),
б
а - компрессионные камеры
6 - штампы для передачи нагрузки Р на грунт
6 - Водяные камеры с индикаторами давления
г - Выходное отверстие
Рис. 25-2. Компрессионный прибор Э. М. Доброва:
а — компрессионные камеры; б — штампы для передачи нагрузки р на
грунт; е — водяные камеры с индикаторами давления; г — выходное от-
верстие
с увеличением мощности обжимаемого слоя (фактор Н) и с понижением его
водопропускной способности (фактор Кф). Такой вывод представляет-
ся вполне логичным.
Отсечем от кровли пласта горизонт на глубине D, определяющий поло-
жение точки А, где имеет место равенство Iz отж = /нач. Таким образом,
наш слой мощностью Н подразделяется по глубине на две зоны.
Впервой зоне мощностью D {активная зона) уплотнение грунта
будет идти в соответствии с законами фильтрационной консолидации (в
условиях уменьшающегося по глубине активной зоны градиента 70тж).
Здесь грунт рано или поздно будет уплотнен до влажности wp, т. е. до
состояния, эквивалентного нагрузке р.
Во второй зоне исходная влажность оупр грунта останется прак-
тически без изменения. Соответственно останется без изменения и имевшая
381
здесь место сопротивляемость грунта сдвигу snp. Вместе с тем вода в порах
грунта во второй зоне будет находиться под некоторым напором h2.
Для количественной оценки роли в рассматриваемом плане начального
градиента /нач канд. техн, наук Э. М. Добровым предложен и сконструиро-
ван компрессионный прибор особого вида*. Этот прибор (рис. 25-2) с увели-
ченной.(за счет последовательного соединения ряда специальных компресси-
онных камер) длиной пути фильтрации Лф позволяет испытывать образцы
глинистых грунтов малой высоты в условиях переменных градиентов да-
Д/шни пути фильтрации Lq,cm
Рис. 25-3. Зависимость модуля осадки ер и влажности w от длины пу-
ти фильтрации £ф ко времени консолидации глинистого грунта под на-
грузкой ро — 1,0 и 2,0 kTIcm2
влений /отж вплоть до их значений, возникающих в реальной толще. Влияние
начального градиента напора /отж сказывается в первую очередь на ком-
прессионных зависимостях вида eT7=fi{p0\ Аф) и w=f2(Po', £ф), где ер— мо-
дуль осадки в мм/м (рис. 25-3). Указанные функции имеют прямолинейные
очертания и указывают на существенное влияние длины пути фильтрации
£ф на сжимаемость глинистых грунтов ер и распределение в слюе грунта
влажности w.
Путем экстерполяции, которая в данных условиях облегчается, можно
установить, что мощность активной зоны в рассматриваемом слое при на-
грузке р = 1,0 кГ/смъ не превышает 175 см. Следовательно, испытанный
грунт в слое любой мощности при исходной влажности ^=37,5% мог бы
оказаться уплотненным под нагрузкой р= 1,0 кГ/см2 в зоне от контактной
поверхности с дренажем, лишь в пределах 175 см.
* Э. М. Добров. Учет начального градиента при уплотнении глинистых
грунтов под статической нагрузкой. Материалы Всесоюзного совещания. Таллин,
1965.
382
ГЛАВА 26
УЧЕТ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ В ГЛИНИСТЫХ ГРУНТАХ
Рис. 26-1. Архитектурный памятник в
г. Любеке:
I — гранитные блоки; 2 — бревенчатый ростверк;
3 — болотистый грунт; 4 — торф; 5 — аллювий
(песок); 6 — крепкий мергель
Уже с давних времен отмечалась весьма длительная и значительная де-
формация многих сооружений, возведенных на глинистых грунтах. Класси-
ческим примером в этом смысле (см. рис. 19-4) является Падающая башня
в г. Пизе (Италия). Начало возведения этого архитектурного памятника
относится к концу XII века. С тех пор отмечается непрерывная деформация
этого сооружения, выражающаяся в
неравномерной его осадке, наклоне
и некотором смещении в сторону р.
Арно, на берегу которой оно возве-
дено. Осадка башни превысила 320 см.
Верх башни отошел от вертика-
ли более чем на 4,5 м, что при вы-
соте башни 45,5 м составляет почти
10%. Осадка башни продолжается и
по настоящее время со средней интен-
сивностью 2 мм в год. В основании
башни — пластичные глины, перек-
рытые песчаным слоем относительно
незначительной мощности.-
Другим интересным примером в
этом же отношении является архи-
тектурный памятник, возведенный в
1464—1478 гг. в г. Любеке* (рис..
26-1). В основании сооружения тол-
ща болотистых грунтов и торфа об-
щей мощностью более 15 м. Несмот-
ря на 500 лет существования сооруже-
ния, его осадка продолжается по на-
стоящее время и достигла 180 см.
На окраинах почти каждого города можно найти сильно деформирован-
ные и просевшие незначительные, часто одноэтажные, давно возведенные
деревянные здания, осадка которых никак не отвечает их весу и нагрузке
на грунт.
В практике эксплуатации мостов отмечены многочисленные случаи дли-
тельного смещения и наклона береговых устоев. В частности, такая дефор-
мация отмечена у береговых опор Охтенского моста через Неву в Ленинграде
(смещение порядка 16 см).
Таких поимеоов очень много.
* Kogler — Scheidig. Baugrund und Bauwerk, Berlin, 1938.
383
Получили известность случаи медленного перемещения в сторону реки
анкерных устоев крупных висячих мостов через Дунай в Будапеште и в
Рейхсбрюке (Венгрия, сообщение К. Сечи, 1960 г.).
Отмечен ряд случаев длительной деформации ряда гидротехнических
сооружений, и в первую очередь плотин. Такие деформации, связанные с
медленным и длительно затухающим процессом смещения сооружений или
земляных масс, были отмечены на Свирьстрое, на головном сооружении
Дзорагэс (Армения), на щитовой стенке напорного бассейна Ф.архадгэс
и т. д.
Такие же явления зафиксированы и за рубежом. В большинстве случаев
величина смещения подобных сооружений редко превышает 2—3 см в год
и обычно оказывается менее интенсивной. Во многих случаях при этом воз-
никала необходимость значительных ремонтных работ. В строительной
практике были случаи полного разрушения плотин, наступавшего после
длительной деформации их смещения. В этом отношении весьма поучителен
пример двух французских плотин — Гробу а и Бузей, особенно последней,
разрушившейся через 11 лет после ввода ее в эксплуатацию при деформации
смещения, достигшей к этому времени 32 см.
Особенно интересным и поучительным примером являются многочислен-
ные случаи длительной деформации подпорных стенок, возведенных на
глинистых грунтах или поддерживающих откосы, сложенные глинистыми
породами. Такие случаи отмечены в ряде городов, на дорогах, в портах
(см. гл. 28).
В инженерно-геологической практике отмечены многочисленные случаи
медленно деформирующихся и медленно оползающих склонов (см. гл. 29).
Анализ подобных случаев привел к ясному представлению о том, что проч-
ность глинистых грунтов может часто оказаться сниженной во времени и
что такие грунты в определенных условиях склонны к длительной, долго
не затухающей деформации без изменения приложенной к ним нагрузки.
Это явление называется ползучестью или крипом. Обусловливаются они
особыми реологическими свойствами глин.
Явление ползучести глинистых грунтов связано с некоторыми особыми
свойствами воды в оболочках на мельчайших частицах, слагающих глинис-
тые грунты. В ближайшем к поверхности частиц слое опа ведет себя как плас-
тичное тело, а уже на некотором от нее удалении как псевдопластическая
жидкость. Вода характеризуется здесь некоторой определенной вязкостью,
зависящей, помимо всего прочего, от природы и степени концентрации элект-
ролитов, насыщающих поровую воду в таких грунтах. Само явление пол-
зучести зависит от связности глинистых грунтов и находит свое выра-
жение в последовательной концентрации действующих в грунте усилий на
ту или иную слагающую его группу частиц, приводящей в толще грунта
к нарушению микросвязей и проявлению микросдвигов.
Таким образом, сооружения, возведенные на глинистых грунтах, спо«
384
собны в результате ползучести глины испытывать длительные деформации,.
Это явление может привести к деформации сооружений, во многих случаях
недопустимой и нередко даже связанной с потерей ими прочности и, в конце
концов, общей устойчивости. Такая возможность при проектировании каж-
дого ответственного сооружения должна быть заранее предусмотрена, а
нежелательные последствия проявления ползучести должны быть учтены
и предотвращены. Разрешение этих вопросов связывается с необходимостью
предварительного прогноза возможных условий проявления ползучести,
возможной скорости нарастания деформации в рассматриваемых условиях
и реальной оценкой условий возможного падения прочности глинистых
грунтов во времени.
Реологические свойства глинистых грунтов и условия их проявления.
Реологические явления, т. е. явления, связанные с проявлением длитель-
ных деформаций грунта и возможным падением их прочности го времени,
возникают при определенных обстоятельствах в глинистых грунтах под
воздействием приложенных к ним касательных напряжений т. При этом,
как показывают исследования автора, представляется целесообразным ис-
ходить из уже известных нам выражений, предложенных для описания со-
противляемости сдвигу глинистых грунтов (8-2), (8-26) и (8-25):
Spw Р tg Фw Ч- Sw —Ь с
И
Spw Р tg Фда Ч- ^w*
ГДе Сщ I Сс.
Напомним, что в зависимости от природы грунта некоторые из указан-
ных компонентов сопротивляемости грунта сдвигу могут подавляться,
а другие превалировать. Для рассмотрения условий возможного проявле-
ния ползучести глинистых грунтов и возможного снижения их прочности
во времени при некоторой их деформации по величине и длительности об-
ратимся к модели автора, приведенной на рис. 26-2*.
Представим себе некоторый цилиндр А, в котором при некоторых ус-
ловиях перемещается поршень В. Цилиндр прикреплен к полу посредством
пружины Ех из мягкого железа. На штоке D поршня В имеется другая пру-
жина Ег из стекла. В стенке цилиндра предусмотрены два незначительных
по величине отверстия F. Верхняя камера G цилиндра заполнена некоторым
вязким материалом, например тяжелым минеральным маслом. Ко всей
этой системе через шток D прикладывается некоторое усилие Q. Очевид-
но, что в этом случае немедленно вслед за приложением усилия Q возникает
некоторая деформация системы, связанная в первую очередь с ее переме-
щением за счет растяжения пружины Ej из мягкого железа. В зависимости
* Н. Н. Маслов. Реологические свойства и длительная прочность глинистых
грунтов. Материалы Всесоюзного оползневого совещания. Киев, 1964. . .
13 Заказ № 549 3 85
щения, при всех
Рис. 26-2. Реоло-
гическая модель
Н. Н. Маслова
от величины усилия Q эта деформация может носить упругий (обратимый)
и неупругий (остаточный, необратимый) характер. Вместе с тем, перемеще-
ние поршня в цилиндре может иметь место лишь при преодолении уси-
лием Q сил трения r=p tgtyw , возникших по контактной боковой поверхнос-
ти поршня и стенки цилиндра, а также сопротивления стеклянной пружи-
ны Е2. Если оба эти сопротивления будут преодолены, возникает уже новое
сопротивление перемещению поршня в связи с необходимостью отжатия из
камеры G заполняющего ее масла. Очевидно, что скорость этого переме-
прочих равных условиях будет определяться вязкостью
тр масла и величиной отверстий F. При значительном
перемещении поршня стеклянная пружина в силу ее
хрупкости может оказаться раздавленной. При таком
положении начальное и последующее сопротивление пе-
ремещению поршня может оказаться резко сниженным,
что поведет к повышению давления на масло и будет
способствовать более интенсивному его отжатию из ка-
меры G. Очевидно, что при этом условии скорость пе-
ремещения поршня также возрастет. Как показывают
исследования, факторы внутреннего трения ptgcp^, и
необратимого сцепления сс в механическом смысле явля-
ются неизменными во времени*. Вместе с тем связт
ность обусловливающая пластичность и вязкость
глинистых грунтов, должна рассматриваться в этом
плане как некоторый временный фактор, проявляющий
себя в полной мере при внезапном приложении наг-
рузки и сводящийся к нулю при длительной работе
грунта под нагрузкой. На основе модели рис. 26-2 мы
можем использовать следующую аналогию:
деформация системы за счет растяжения пружины Е±
может быть уподоблена начальной деформации грунта, частью упругой
и частью необратимой, в зависимости от величины и характера приложенной
к грунту нагрузки.
2. Сила трения г по боковой поверхности поршня может быть уподобле-
на силам внутреннего трения в глинистом грунте р tg yw, способным
изменяться во времени прежде всего за счет изменения влажности грунта.
3. Вязкое сопротивление материала в камере G с коэффициентом вяз-
кости может отвечать такому же сопротивлению глинистого грунта,
* См., например: Н. Н. М а с л о в. Прикладная механика грунтов, 1949,стр. 303 —
304; Р. W- R owe. Hypothesis for Normally Loaded Clays Equilibrium. Proc .of Fourth
Intern. Conf, of Soil Meeh, and Found. Eng. London, 1957; Proc, of the Fourth—Intern.
Conf, on Soil Meeh, and Found. Eng. London, 1957; a) D. Henkel. Inverstigantions
of Two Long—term Failures in London Clay Slopes at Wood Creen and Northolt;6)H.
Pernicioglu. Earth Movement Investigation in a LanLHide area on the Bospo-
rus; в) A. Skempton and F. de Lory. Stability of Natural Slopes in LondonClay.
386
1. Начальная
определяемому связностью грунта Sw. Очевидно, что вязкость грунта, так
же как и его связность, могут изменяться в связи с изменением влажности
w грунта и в течение длительных сроков времени — за счет структурных
новообразований в грунте;
4. Сопротивление стеклянной пружины Е2 может быть уподоблено роли
жесткого необратимого сцепления сс в грунте. Сцепление в грунте, ха-
рактеризуемое наличием в нем жестких структурных и необратимых
связей, может оказаться нарушенным при некоторой деформации грунта.
Вместе с тем сцепление сс может и возрастать во времени за счет тиксотроп-
ных явлений и структурных новообразований, связанных с проявлением
процесса синереза.
В соответствии с приведенной выше аналогией и моделью условия работы
глинистого грунта под воздействием сдвигающих напряжений т во времени
могут быть сформулированы в следующих критериях ползучести*:
1) ^>ptg(pw + Sw + cc— (26-1)
немедленное разрушение грунта’,
2) <ptg<pw 4- сс — (26-2)
а) деформация ползучести отсутствует-,
б) прочность грунта обеспечивается на весь период работы
сооружения',
3) ^>ptgcpw4-cc
и одновременно т < ptg cpw 4- ср (26-3)
а) проявляется ползучесть',
б) прочность грунта обеспечивается на тот или иной пе-
риод, однако, в связи с деформацией ползучести возможно
нарушение необратимого сцепления сс во времени с общим
падением прочности грунта.
Таким образом, проявление ползучести глинистых грунтов зависит
от их связности Очевидно также, что переход глинистых грунтов в
состояние ползучести при отмеченных выше условиях возможен лишь при
превышении сдвигающим напряжением т некоторого предела назы-
ваемого нами «порогом ползучести» и определяемого величиной 1
^шп = Р tg + сс. (26-4)
В данном случае структурное сцепление трактуется в несколько расши-
ренном плане, как сцепление в грунтах, носящее вне зависимости от своей
природы невосстановимый (необратимый) характер. Очевидно, что при
* Н. Н. Маслов. Прикладная механика грунтов, 1949, стр. 77, 303, 304.
13* 387
этом условии сцепление сс в формуле (26-4) должно включать силу внутрен-
ней связности глинистых грунтов в твердой консистенции (сухие грунты).
Все глинистые породы могут быть подразделены на три основные группы:
Рис. 26-3. Зависимость относительной
t'o
скорости ползучести '*~~д от сдвигаю-
щего напряжения и:
о0 — видимая скорость смещения (см/сек); свобод-
ная высота образца d = 2,3 см; влажность w =
= 30,3%; вертикальная нагрузка р=3,0 кГ/см*
(МосВНИИГ)
1) жесткие глинистые породы
(угол внутреннего трения cpw =/--0;
связность — 0; структурное
сцепление сс=^=0);
2) скрытопластичные, или, как
их иногда называют, пластично-
текучие, глинистые грунты
Е.^0; ес^0 или сс =0);
3) пластичные (вязко-текучие)
глинистые грунты (ош =0; 2№=/=0;
сс=0).
Жесткие глинистые
породы, к которым относятся
Рис. 26-4. Относительная скорость ползучести у
в зависимости от величины сдвигающего напря-
жения т. Саратовская глина нарушенной струк-
туры (по опытам С. Н. Сотникова):
нагрузка р = 3 кГ/см*; сопротивляемость сдвигу sp —
1=2,76 кГ/см1; высота образца h = 2,5 см; влажность w —
= 33%
в основном древние сцементиро-
ванные их разности (аргиллиты,
окремненные и мергелистые глины
и т. д.), обладают повышенной
твердостью и прочностью. Для же-
стких глинистых пород характер-
ной формой деформации сдви-
га является скол. С точки
зрения ползучести жесткие
глинистые породы в соответ-
ствии с выражением (26-4) не
представляют интереса, что и
подтверждается практически.
В совершенно ином поло-
жении находятся п л а с т и ч-
н ы е глинистые
грунты. Их прочность и
сопротивляемость сдвигу обу-
словливаются лишь силами
внутренней связности Еда.
Пластичные глинистые грун-
ты носят по своим свойствам
водно-коллоидный характер,
и поэтому ползучесть в наиболее высокой степени свойственна именно
этим грунтам.
Из выражения (26-4) следует, что порог ползучести для пластичных гли-
нистых грунтов тПт—0.
388
Таким образом, пластичные глинистые грунты способны переходить в
состояние ползучести при самых незначительных, едва отличных от нуля
сдвигающих напряжений. Характер сдвига в условиях проявления ползу-
чести пластичных глинистых грунтов иллюстрируется графиком (рис. 26-3)
зависимости относительной скорости v ползучести (т. е. скорости, отнесен-
ной к единице свободной высоты образца d) от сдвигающего напряжения
т для одного из образцов кинельской глины.
Скрытопластичные разновидности глинистых грунтов по
своим свойствам занимают промежуточное положение между пластичными
и жесткими породами. В соответствии с
проявлением в их прочности сил внутрен-
него трения =^=0), а иногда и сил струк-
турного сцепления (cc=f=O), они характери-
зуются при сдвиге некоторым порогом
Сддигающее напряжение it кг/см2
Рис. 26-5. Относительная ско-
рость ползучести \ в зависимости
от сдвигающего т и нормально-
го р напряжений. Аллювиальные
старичные суглинки Нижней
Волги (по опытам С. Н. Сотни-
кова)
Рис. 26-6. Относительная скорость ползучести
v в функции от влажности w грунта при
постоянной нагрузке р
ползучести тНш>0. Поэтому переход таких грунтов в состояние ползуче-
сти, как правило, становится возможным лишь при преодолении прило-
женным к грунту сдвигающим напряжением т некоторого сопротивле-
ния, определяемого величиной порога ползучести тПт, т. е. т>тИт. По-
добный характер деформации сдвига иллюстрируется графиком (рис. 26-4),
составленным в тех же осях, что и предыдущий. На этом рисунке Tlim»
~0,4 к.Г1см\
Вместе с тем, как это следует из выражения (26-4), порог ползучести
тИп1 для скрытопластичных разностей глинистых грунтов зависит от вели-
чины приложенного к грунту нормального напряжения р и возрастает
389
с увеличением последнего (рис. 26-5), оставаясь всегда в зависимости от угла
внутреннего трения грунта срда. Вместе с тем рис. 26-6 свидетельствует о том,
что величина порога ползучести tlim изменяется с изменением влажности
грунта w. В свете приведенных положений порог ползучести может быть
выражен в виде*
Э1т = f(p, ™ и /). (26-5)
Очевидно, что сам процесс будет протекать под активной, непогашенной
частью сдвигающего напряжения:
Лт = т —Тцт, (26-6)
т. е. Лт = т —(ptg<pw4-cc). (26-7)
Как видим, в реологическом анализе весьма важным оказывается рас-
членение присущего глинистому грунту общего сцепления cw на слагающие
его обратимое £да, как свидетельство проявления связности в грунте, и необ-
ратимое сцепление сс, характеризующееся наличием в грунте жестких невос-
становимых связей. Этот анализ наиболее убедительным образом выполняется
путем сопоставления величины сопротивления породы сдвигу в монолите
и по сдвигу «плашек» породы по заранее искусственно подготовленной по-
верхности. Помимо уже ранее указанного приема с использованием графика
рис. 8-17, для выявления роли структурного сцепления сс в его чистом виде
в прочности грунта оказывается полезным следующий прием. Заготовляет-
ся грунтовая масса (с нарушенной структурой) из испытуемого грунта.
Путем обжатия в уплотнительных приборах плотность-влажность образ-
цов доводится до естественной. После этого образцы с ненарушенной и
нарушенной структурой раздавливаются в одноосном напряженном сос-
тоянии. Результаты сопоставляются. Определяется некоторый показатель
Р (за рубежом называемый чувствительностью**) по выражению
хнар, стр
где ftnp — природная прочность грунта (ненарушенная структура);
ftнар.стр— прочность грунта с нарушенной структурой.
При р=1,0 структурное сцепление сс особого проявления в грунте не
имеет.
Вопрос о прогнозе развития ползучести во времени в «Механике грунтов»
еще новый и до конца не разработан. Тем не менее уже и теперь имеется воз-
* Например, 3. М. Караулова. Значение порога ползучести в практике
строительства и методы его определения. Материалы Всесоюзного совещания. Таллин,
1965.
* * Представляется более правильным показатель {3 называть коэффициентом
структурной прочности.
390
можность наметить некоторые пути решения задачи, имеющие определен-
ное практическое значение и интерес*.
Необходимо отметить, что возрастание скорости деформации сдвига v
в процессе ползучести грунта с увеличением сдвигающего напряжения т
в рамках соотношений имеющих практическое значение, носит на своем
значительном протяжении линейный характер. Это отчетливо видно из
рис. 26-3 —-26-5.
Эти обстоятельства указали на допустимость использования известной
зависимости Ньютона для прогноза деформации пластичных разностей
глинистых грунтов
v = ~d (26-8)
и зависимости Бингама—Шведова для скрытопластичных
v = ~^d. (26-9)
Здесь v — скорость смещения (сдвига) при ползучести на уровне прило-
жения касательных напряжений;
х и Дх — соответственно касательное напряжение и активная непога-
шенная часть этого напряжения;
d — мощность активной зоны глинистого грунта, подвергающейся
перекосу и участвующей в движении;
т] — коэффициент вязкости грунта.
Как видим, для прогноза процесса ползучести и интенсивности во вре-
мени смещения сооружений в этом процессе мы должны располагать помимо
показателей сопротивляемости грунта сдвигу в соответствии с выражением
(8-2) также и данными о величине коэффициента вязкости грунта тр Отме-
тим прежде всего, что размерность коэффициента вязкости (динамического)
в технических единицах тцехн — сек-кГ/см2 или в соответствии с нормами
Зтахн — сек-кГ/м2, очевидно, что т;техн сек-кГ/м2~ 10 000 тцехн сек-кГ/см2’,
часто этот коэффициент выражается в пуазах (из) 1 пз
^1- Ю~6 сек-кГ/см2 (тцехн). Таким образом 7?пуаз = 7]техн-Ю6. Величина
коэффициента вязкости проще и убедительней всего может быть
установлена опытом на сдвиг с контролируемой деформацией об-
разца и методом тяжелого шарика. Сущность опыта с контролируемой
деформацией сдвига иллюстрируется графиком (рис. 26-7). В дан-
ном случае в течение всего опыта скорость деформации сдвига исдв
задается постоянной и, учитывая назначение опыта, незначительной
(а-10-5 — а • 10~8 см/сек). Очевидно, что зависимость самой дефор-
* Н. Н. М а с л о в. к вопросу об условиях проявления попзучести глинистых
грунтов в основании подпорных сооружений. «Научные доклады высшей школы»!
«Строительство», 1958, № 1..
391
мации сдвига X от времени t при этом будет носить до момента среза образца
линейный характер (линия /). Опыт проводится под постоянной нормальной
нагрузкой р. Для поддержания скорости деформации ползучести постоян-
ной (w=const) сдвигающее напряжение т: в течение опыта искусственно
изменяется. Рис. 26-7 отвечает случаю, когда т до того или иного момента
времени t должно повышаться (кривая 2). Характер этой кривой свиде-
тельствует о том, что с некоторого момента времени ZTnp для нарастания
деформации со скоростью исдв =const величина т должна изменяться весьма
Время t (часы - сутки)
Рис. 26-7. Схема опыта на сдвиг с контролируемой ско-
ростью смещения осдв образца. Глинистый грунт с нарушен-
ной структурой
незначительно, иначе говоря,— в этом периоде грунт при более или менее
постоянном значении напряжения т начинает «ползти» до достижения сдви-
гающим напряжением своего критического значения ткр, когда происходит
фактический сдвиг образца. Такое положение свидетельствует о наличии
состояния «ползучести» грунта. Это обстоятельство позволяет, имея данные
по т или Ат, р, v и d (свободная высота перекашиваемого образца), найти
значение коэффициента вязкости грунта по формулам (26-8) или (26-9)
на тот или иной момент времени ton, протекший с начала опыта. Как пока-
зывает опыт, коэффициент вязкости не является постоянным и обычно
изменяется во времени в сторону повышения. Это положение, в частности,
следует из опыта (рис. 26-7), когда в течение всего процесса ползучести для
поддержания скорости деформации образца постоянной (y=const) оказы-
валось все же необходимым несколько увеличивать величину сдвигающего
напряжения х. Располагая значениями т^, найденными на различное вре-
392
мя t по длительности опыта, и исходя из данных опытов с разной скоростью
деформации v, мы можем судить о конечных во времени значениях коэффи-
циента вязкости tjk . При этом оказывается весьма удобным использовать
график зависимости с построением его на полулогарифмической
шкале.
Изменение коэффициента во времени хорошо описывается зависи-
мостью
Здесь и т)к — соответственно
— СЧк — (26-10)
начальные и конечные значения коэффи-
циента вязкости;
р. — параметр, отражающий свойства грунта.
Это уравнение иллюстрируется
рис. 26-8. При наличии опытной кри-
вой зависимости = f(f), доведен-
ной до постоянного значения >
определение параметра [л, необходи-
мого для использования выражения
(26-10), производится по зависимости
^-Lin^k-^) (26-11)
* (^ik —цЭ
Время t, сутки
Рис. 26-8. Изменение коэффициента
вязкости во времени t. Сопоставле-
ние теоретических и эксперименталь-
ных данных. Меотическая глина: ?
где у? — коэффициент вязкости на
время t.
Часто может случаться, что опыт в
силу большой его длительности не до-
веден до своего логического конца и
w — 16,4%; р = 8 кГ/см?-, т = 1 кГ/см?-, т; =
= 2-103 сутки-кГ/см? \ -1]к==5,0-\03сутки-кГ/см2;
параметр [х = 0,294 //сутки-, /—эксперимен-
тальная кривая; 2 — кривая, построенная по
расчету
мы не располагаем конечным значени-
ем коэффициента вязкости. В про-
стейшем случае т]к может быть уста-
новлено в порядке экстерполяции
кривой зависимости на графике с полулогарифмической шкалой.
Благодаря показательному характеру этой функции ошибка при этом
в определении т]к , а отсюда и последующих выводов, обычно не велика.
Опыты по определению и гц проводятся на односрезном аппарате на
сдвиг, например по рис. 8-25. Во избежание высыхания образцов в течение
длительных опытов их защищают резиновой рубашкой. Для повышения
точности результатов опытов эксперименты проводятся с относительно вы-
сокими образцами (до 7 см). Для предохранения образцов от раздавливания
под вертикальной нагрузкой опыты проводятся под защитой системы тонких
колец,' которые надеваются на образец. Наблюдения за деформацией (пере-
косом) образца в процессе сдвига проводятся по нескольким мессурам. Как
393
показывает опыт, проведение эксперимента по схеме «контролируемой дефор-
мации» оказывается особенно удобным по варианту «с наклоном образца»
(см. рис. 8-25). Общий вид установки по изучению параметров ползучести
глинистых грунтов на сдвиг приведен на рис. 26-9.
Метод «тяжелого шарика», разработанный 3. М. Карауловой (МЛДИ)
для определения коэффициента вязкости 7jliya3. основан на наблюдении за
Рис. 26-9. Общий вид установки по определению параметров
ползучести глинистых грунтов
скоростью погружения в грунт втопленного наполовину своего диаметра
стального шарика диаметром d=0,5-i~l,5 см путем фиктивного увеличения
его плотности за счет приложения к нему посредством тонкого стержня
внешней нагрузки Ргруз. Прибор смонтирован на станине, наблюдения ведутся
посредством мессу ры. Определение коэффициента вязкости т?„уаз ведется
по формуле, основанной на известной зависимости Стокса, используемой
для гранулометрического анализа дисперсных грунтов,
Ю», (26-12)
где *[ш— фиктивный удельный вес шарика;
-у о— то же, грунта;
v — скорость погружения шарика в грунт.
Фиктивный удельный вес шарика в свою очередь определяется по
выражению
РСНСТ Т Ргруз (26-13)
1 Ш Уш *
где Рснст—вес всей загруженной системы совместно с весом шарика;
Ргруз—Rec дополнительно прикладываемого к шарику груза;
Vm — объем шарика.
394
Все величины в размерности — Г, см, сек.
Определение коэффициента вязкости грунта по методу «контролируе-
мой деформации сдвига» и по способу «тяжелого шарика» дают вполне сопо-
ставимые результаты. Полученные значения коэффициентов вязкости т?пуаз
относятся к той или иной влажности или консистенции грунта. Величина
7jnya3 в зависимости от влажности грунта и его консистенции лежит обычно
в пределах ?}=а-1012-4-а-1014 пз, соответственно повышаясь для грунтов
в твердой консистенции до ?]=а- 1015-н16 пз и снижаясь для пластичной
консистенции до т]=а-1011 и а-1010 пз и ниже.
Вопросы длительной прочности. Из приведенных выше материалов
вытекает необходимость при оценке устойчивости сооружений исходить из
способности глинистых грунтов терять в определенных условиях свою проч-
ность на сдвиг во времени. Это условие связано с ослаблением во времени
связности глинистых пород, как характерного свойства многих их раз-
новидностей, и нарушения жестких структурных связей сс в процессе де-
формации ползучести грунта. Обратимся к рис. 8-4. Этот рисунок, данный
для характеристики процесса сдвига в сыпучих грунтах, сохраняет свое
значение для глинистых грунтов. Кривая 1 отвечает при этом условиям
сдвига глинистых грунтов со значительным структурным сцеплением сс
или необратимым сцеплением, присущим глинистым грунтам в твердой и
часто полутвердой консистенции. Кривая 2 является характерной для плас-
тичных глинистых грунтов и скрытопластичных с нулевым значением в них
необратимых связей. Как видим, сопротивление сдвигу грунтов второй
категории монотонно возрастает с увеличением деформации сдвига. В то же
время грунты по первой кривой в процессе деформации сдвига проходят
явный максимум ('Сцаиб)’ отвечающий деформации Хкр; с увеличением де-
формации сверх Хкр сопротивляемость грунта сдвигу постепенно падает
вплоть до ее предельной прочности тпр. В соответствии с исследованиями
автора это явление связывается с нарушением в процессе деформации
грунта действующих в нем жестких необратимых связей*.
Очевидно, что при наличии значительной деформации грунта при рас-
четах устойчивости сооружений необходимо уже считаться с некоторой
или полной потерей в грунте жестких структурных или им подобных связей.
За рубежом во избежание деформации сооружения в связи с ползучестью гли-
нистых грунтов нередко выдвигается положение о необходимости полного
исключения из расчетов всего сцепления cw. Такое положение при сдвиге яв-
ляется оправданным лишь при наличии относительной деформации сдвига
(угол перекоса) толщи выше некоторой определенной величины чкр- Как это
впервые показал М. Н. Гольдштейн, величина критической деформации чкр в
этом случае остается постоянной и не зависит от скорости ее нарастания; в
* Н. Н. М а с л о в. О значении при проведении опытов на сдвиг некоторых
факторов. Материалы по сооружению свирских установок. Изд. Свирьстроя, вып. 4,
1935; A. W. S cem р ton, Long-term stability of clay slopes Inst, civ, Eng.London, 1964
395
зависимости от этой скорости падение прочности грунта, оно наступает
лишь то раньше, то позже*. Согласно данным Л. Шуклие (Югославия),
обоснованным на выводах Сайто (Япония) и подтвержденным его наблюде-
ниями на оползневых объектах**, время tn, потребное для развития пол-
зучей деформации склона до катастрофического оползневого явления, об-
ратно пропорционально угловой скорости ползучести (перекоса) Е, т.е.
, _0,0214|
tn~~ Е -
Согласно данным Л. Шуклие, опасность обрушения склона наступает,
когда смещения достигают нескольких десятков сантиметров (до 50 см).
Таким образом оказывается, что прочность глинистых грунтов, харак-
теризуемых отсутствием в них жестких необратимых связей в пластичной и
тем более в текучей консистенции, в связи с увеличением их плотности и
уменьшением влажности, а также в связи с проявлением определенных
коллоидных процессов, способна в процессе сдвига повышаться. Это поло-
жение оказывается особенно действенным применительно к глинистым
грунтам с нарушенной структурой. Вместе с тем, это положение отнюдь не
исключает возможности падения прочности во времени в связи с деформа-
цией толщи глинистых пород с жесткими необратимыми связями. Недо-
учет этих положений часто приводит к неоправданному толкованию поня-
тия о длительной прочности глинистых грунтов, чего следует, конечно,
избегать.
Учет реологических свойств глинистых грунтов при проектировании
оснований. Исходя из отмеченных выше положений и критериев ползучести
(26-1) — (26-3), оказывается целесообразным устанавливать расчетные по-
казатели сопротивляемости сдвигу глинистых грунтов применительно к
следующим возможным их вариантам:
I. Для сооружений, способных без вреда для себя воспринимать дли-
тельную деформацию ползучести
s^ = PtS(P^4-Sw (26-14)
II. Для сооружений, применительно к которым длительная деформа-
ция ползучести допущена быть не может,
% = Ptg(Pw + ^c- (26-15)
* М. Н. Гольдштейн. Ползучесть и длительная прочность глинистых
пород. Труды совещания по инженерно-геологическим свойствам горных пород.
Москва, 1957.
* * Л. Шуклие. Критические фазы оползания откосов. Материалы сове-
щания по вопросам изучения оползней и мер борьбы с ними. Киев, 1964.
396
III. Для сооружений, способных воспринимать эту деформацию в не-
которых пределах,
С + 2™ + сс. (26-16)
П р имечания. 1. Третий вариант с использованием в расчетах
sff/pw предусматривает необходимость установления скорости аполз про-
явления деформации ползучести и сопоставления связанной с ней дефор-
мации X сооружения на срок его службы с предельно допустимыми величи-
нами.
2. Учет в расчетах по третьему варианту структурного сцепления сс
является возможным в тех случаях, когда гарантируется, что в условиях
предстоящей деформации грунтов жесткие связи в грунте в связи с этой де-
формацией разрушены не будут.
3. Проведение указанного в примечаниях 1 и 2 анализа должно соче-
таться с учетом возможного изменения во времени показателей сопротив-
ляемости грунтов сдвигу фда, и сс, а также коэффициента вязкости грун-
та под влиянием изменения плотности-влажности грунта и возникаю-
щих в нем структурных новообразований.
Положение 3-го примечания в соответствии с выражением (26-2) позво-
ляет ожидать при определенных обстоятельствах полного затухания де-
формации ползучести к некоторому моменту времени Тстаб (скрытоплас-
тичные глины) и во всяком случае уменьшения скорости ип0лз самой де-
формации ползучести. Указанные выше положения подлежат учету при
использовании любых формул по оценке прочности и устойчивости основа-
ний, включающих в себя в той или иной форме сцепление с глинистых грун-
тов. В противном случае не исключается медленная и длительная осадка
таких сооружений, связанная уже не с обычным процессом уплотнения
грунтов под нагрузкой от веса сооружения, а с их локальным и неравномер-
ным отдавливанием из-под подошвы сооружения, что, между прочим, имеет,
по-видимому, место в примере «Падающей башни» по рис. 19-4. В других
случаях описанные явления могут вести вообще к полной потере устойчи-
вости массива горных пород. С подобными явлениями мы особенно часто
встречаемся при нарушении устойчивости склонов и откосов (см. гл. 29).
ГЛАВА 27
ГИДРОСТАТИЧЕСКИЙ И ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТЫ
Мы имели уже случай отметить весьма большое значение в несущей спо-
собности оснований взвешивания грунтов на горизонтах ниже уровня под-
земных вод (выражения 22-36 и 22-37). При проектировании оснований с
этим фактором приходится считаться, учитывая возможное повышение
397
уровня грунтовых вод в различные сезоны года или в связи с той или иной
деятельностью человека. В этом отношении особенно важное значение в
долинах рек имеют паводки, как правило, вызывающие значительное по-
вышение уровня грунтовых вод и пьезометрические уровни напорных. Не-
малое значение в этом отношении приобретают атмосферные осадки и перио-
ды таяния снегов. Следует также отметить неизбежное повышение уровня
грунтовых вод вблизи от ирригационных сооружений, в береговых зонах
водохранилищ, в верхнем бьефе возводящихся плотин и т. д. Как правило,
можно ожидать значительного повышения грунтовых вод в новых поселе-
ниях (поливы садов и огородов, утечки из водопроводной сети и т. д.).
Вместе с тем, как показывает практика, со взвешиванием грунтов при-
ходится считаться при проходке котлованов и в особенности при их осуше-
нии. При наличии в толще водоносных пластов (пески, галечники, трещино-
ватые песчаники или известняки), перемежающихся с водоупорными гли-
нистыми, всегда можно опасаться, в особенности при наличии в толще
напорных вод, прорыва этих вод в котлованы при их осушении, со всеми выте-
кающими отсюда последствиями (затопление котлована, расстройство грун-
тов в толще основания проектируемых сооружений).
При вскрытии котлованами мощной толщи водоносных мелкозернистых
и тем более тонкозернистых песков без принятия надлежащих мер по их
дренированию почти во всех случаях приходится сталкиваться с переходом
таких песков под воздействием восходящих токов воды, направленных в
котлован, в разжиженное состояние. В этом случае благодаря относитель-
но низкой водопроницаемости подобных грунтов их дренирование при по-
верхностной откачке идет очень медленно и слабо, и гидравлические гра-
диенты приобретают особенно большую величину в горизонтах, близких
ко дну котлована («выходные градиенты»). Здесь обычно грунт оказывается
под малой нагрузкой от веса вышележащей, перекрывающей данный го-
ризонт толщи или даже полностью ее лишен. Поэтому очень часто грунт
здесь полностью теряет свою устойчивость и переходит в разжиженное и
текучее состояние, приобретая все свойства плывуна, и в котловане соз-
даются исключительно сложные условия для проведения строительного
производства. Для поддержания проходимости транспортных путей в таком
котловане необходимы специальные мероприятия, например устройство
настилов из бревен или накатника. Строительные механизмы, например
экскаваторы, в этих условиях не могут нормально работать из-за крена
или даже погружения в разжиженную массу грунта.
Такие условия нередко возникают, в частности, в практике гидротехни-
ческого строительства. С подобными же трудностями часто сталкиваются
строители мостов, так как опоры мостов обычно закладываются достаточно
глубоко и, как правило, всегда ниже уровня грунтовых вод. Целый ряд подоб-
ных примеров приводит в своей книге К. Сечи (Венгрия), описывая условия
строительства моста через р. Капош, автодорожного моста Тиссаполгаре
398
и т. д.*. С подобными же явлениями неоднократно сталкивались и наши
строители. Следует отметить, что в рассматриваемом отношении особые
трудности возникают, когда песчаная толща непосредственно перекрывает
собой сильно трещиноватую и водообильную толщу скалистых пород. Этот
вопрос специально рассматривался на IV Международном конгрессе по
механике грунтов (Лондон, 1957 г.) в докладах, в частности основополож-
ником «Механики грунтов» проф. К. Терцаги.
Ликвидация последствий разжижения грунтов в котлованах, например
путем использования свайных фундаментов, нередко сопряжена с больши-
ми трудностями, в особенности когда процессом разжижения грунт затро-
нут на значительную глубину. В этом случае сваи, будучи почти полностью
погружены в разжиженную массу грунта, теряют свою несущую способ-
ность, так как накреняются и тонут в этой массе под влиянием собственного
веса (железобетонные сваи). Автору дважды пришлось столкнуться с подоб-
ными явлениями в своей практике, когда в обеспечение устойчивости соору-
жений оказалось необходимым отказаться от заложения опор ниже уровня
грунтовых вод и поднять их выше этого горизонта с использованием ис-
кусственной подсыпки грунта вокруг фундаментов сооружений в обеспе-
чение необходимой величины их заглубления. В частности, с подобными
условиями автор столкнулся в 1927 г. при устройстве фундаментов под.
84-метровые мачты перехода линии передачи через Неву в районе г. Петро-
крепость, где никак не удавалось решить (конечно, простейшими средствами)
вопрос заложения фундаментов в толще плывучих песков на глубине 3,5 л
ниже уровня грунтовых вод. Производство строительных работ в подобных
условиях очень затрудняется.
Разжижение песков в стенах котлованов и их вынос из толщи приводит
к обрушению бортов (см. рис 17-13) и создает угрозу для расположенных за
бровкой механизмов, например кранов. Мы имели уже случай отметить
большое значение в нарушении устойчивости природных склонов выноса
из толщи разжиженных песков (см. рис. 17-13), а также и их разжижения в
откосах в зонах выхода грунтовых вод с образованием оплывов при осуше-
нии котлованов (рис. 27-1) и особенно часто при спаде уровня в реках при
паводках и сработке уровней водохранилищ, а также в зоне воздействия
морских приливов и отливов. Один из таких случаев иллюстрируется'
рис. 27-2. Разводной пролет моста в районе Бриджпорта (США) имеет от-
верстие 29,3 м. Опора, об осадке которой идет речь, возведена на свайном
фундаменте, заложенном в толще чистых мелкозернистых водонасыщенных
песков. Длина свай 7,5 м. Мост был возведен в 1918 г. и благополучно ра-
ботал до 1932 г., причем осадка сооружения за это время не превысила 6 см,
когда внезапно картина резко изменилась. Без какой-либо видимой внешней
причины опора резко просела (до 45 см) и несколько сместилась вниз по
* К. Сеч и. Ошибки в сооружении фундаментов. Госстройиздат, 1960.
399-
Рис. 27-1. Оплыв песчаного откоса в зоне выхода грунтовых вод
течению водотока (в сторону моря). Мост при этом оказался разрушенным.
Следует отметить, что мост находился в зоне морских приливов и отливов,
создавших периодические колебания уровня воды у мостового перехода.
Предполагается, что причиной аварии явился внезапный отток разжижен-
ной песчаной массы из-под фундамента опоры.
Как показывает практика тоннелестроения, при пересечении трассой
тоннеля тектонических зон и в особенности древних погребенных депрессий
выполненных молодыми осадками, в процессе проходки тоннеля всегда
может возникнуть опасность выноса из толщи и прорыва в тоннель разжи-
женных масс породы, в первую очередь мелкозернистых и тонкозернистых
1 L 19>3м
Рис. 27-2. Авария моста в районе Бриджпорта (США):
1 — уровень прилива; 2 — просевшая опора; 3 — коренные осадочные по-
роды; 4 — органический ил; 5 — гравий и крупнозернистый песок; 6 —
среднезернистый песок; 7 — мелкозернистый песок
песков («плывунов»). При этом не исключена необходимость полной приоста-
новки работ по проходке тоннеля. В этом смысле широкую известность
приобрел случай, происшедший в Медонском тоннеле (Франция). Здесь
тоннель проходил в толще мергеля вблизи от его кровли. Мергель был пере-
крыт мощной толщей водоносных тонкозернистых песков. Перекрывавший
тоннель тонкий пласт мергелей оказался прорванным, и тоннель был за-
топлен на значительном участке разжиженными песчаными массами. Ра-
боты пришлось приостановить на длительное время.
С подобными же явлениями встретились строители при проходке Леч-
бергского тоннеля (Швейцария), когда в 1918 г. при прорыве в тоннель
плывуна оказались затопленными и забитыми песком 1300 м тоннеля. При
аварии погибло 25 человек. Работы были приостановлены на целый год.
Трасса тоннеля была изменена и удлинена на 870 м.
Серьезный случай прорыва плывуна из вскрытой при проходке тоннеля
толщи древних озерных отложений, перекрытых мощной толщей базальтов,
имел место в 1954 г. при строительстве деривационного тоннеля ХрамГЭС
(Грузия).
В практике тоннелестроения таких случаев много. С большими труднос-
401
тями в связи с этими явлениями столкнулись строители московского и
ленинградского метрополитенов.
Возможность прорыва в ствол тоннелей плывунов необходимо заблаго-
временно предусматривать и принимать надлежащие меры, особенно ’если
строительство тоннеля связано с применением взрывов. Взрывы создают
особенно опасную обстановку в связи со способностью рыхлых водонасы-
щенных песков переходить в разжиженное состояние при динамическом на
них воздействии (сотрясение).
Практика строительства и эксплуатации сооружений, возведенных на
песке или из песка, знает много случаев нарушения их устойчивости и более
или менее серьезной деформации в связи с динамическим воздействием на
них. Как правило, все такие случаи, часто с катастрофическими последст-
виями, были связаны с подводным состоянием песка и с относительно невы-
сокой его плотностью. Эти случаи часто сопровождались полной потерей
водонасыщенными песчаными массами своей устойчивости с переходом их
в разжиженное состояние. Береговые склоны, сложенные песчаными грун-
тами, также часто теряют свою устойчивость в связи с динамическим воздей-
ствием на них. Известны случаи оплывания и полного разрушения затоп-
ленных откосов песчаных плотин и дамб. Зафиксированы также случаи
полного расстройства подходных насыпей к мостовым переходам под про-
ходившими по ним железнодорожными составами, сопровождавшиеся иног-
да тяжелыми человеческими жертвами (крушение 1928 г. в Веспе, Голлан-
дия), разнообразных портовых сооружений и даже зданий в населенных
пунктах в связи с динамическим на них воздействием от проходящего тран-
спорта*. В некоторых случаях истинная причина разжижения и выноса
песков в основании сооружения остается скрытой. Таков пример разруше-
ния ряда незначительных зданий в районе Соловьего оврага в Ульянов-
ске (1965 г.), а также одного здания в Дивногорске (1963 г.).
Особенное значение вопрос об устойчивости водонасыщенных песков
приобретает для сооружений в сейсмических районах. В этом отношении
весьма показателен следующий пример**. В 1935 г. в долине, р. Ганг (Индия)
произошло сильное землетрясение. В затронутом землетрясением районе
на дорогах было разрушено более 360 мостов и труб. Множество граждан-
ских сооружений было превращено в руины. Весьма показательно, что раз-
рушение сооружений сопровождалось их погружением (иногда полностью)
в толщу песчаных грунтов, перешедших в совершенно разжиженное состоя-
ние.
Показателен в этом отношении также и другой пример: в одном из райо-
* В г. Мюнхене некоторые улицы пришлось полностью закрыть для автомобиль-
ного движения в связи с недопустимой осадкой и повреждением зданий (К-Т е р ц а-
г и и Р. П э к. Механика грунтов в инженерной практике (пер. с англ.), стр. 597.
** В. И. О к о л о - К у л а к. Инженерная геология. Изд-во «Водный тран-
спорт», 1942.
402
нов Калифорнии была намыта из песка новая территория, на которой был
возведен ряд сооружений на свайных фундаментах. Сваи пронизывали
всю песчаную толщу и были заглублены на 3—6 м в подстилающий толщу
глинистый слой. Произошло слабое землетрясение, и, как этого следовало
ожидать, поверхность песчаной толщи в результате уплотнения песка при
сотрясении просела в среднем на 60 см. Вместе с тем, что было уже совсем
неожиданно, песчаная толща в своем нисходящем движении увлекла за
собой сваи, вдавив их в подстилающую глинистую толщу и вызвав тем
самым осадку связанных с ними
Описанное выше явление ос-
лабления несущей способности
свай в песчаной толще при сей-
смическом на нее воздействии
неоднократно отмечалось в стро-
ительной практике, в частное' и
при обследовании состояния
мостов в Японии после Вели-
кого землетрясения в 1923 г.
Одновременно было отмечено
много случаев не только просад-
ки устоев, но и смещения их в
плане и поворота. Такая фор-
ма деформации устоев вызыва-
лась ослаблением в результате
сейсмических колебаний несу-
щей способности песчаного основания и его общей устойчивости к воспри-
сооружений.
а)
б)
Дно кот-
лована
Пьезометриче-
ский уровень
Напорный горизонт
Рис. 27-3. Схема для учета взвешивающего
влияния напорных вод в осушаемом котло-
ване:
а — естественные условия; б — при экскавации и осу-
шении котлована
ятию сдвигающих сил как активного давления на устои поддерживаемых
им земляных масс. При этих условиях возникла необходимость разрабо-
тать надлежащие методы оценки степени динамической устойчивости во-
донасыщенных песков как в основании сооружений, так и в их составе
(земляные сооружения).
Условия нарушения устойчивости грунтов в котлованах. Как это было
уже отмечено выше, нарушение устойчивости грунтов в дне котлованов
может быть вызвано при их осушении как прорывом напорных вод, так и
непосредственным воздействием на грунт восходящих токов воды. Обра-
тимся вначале к рассмотрению первого вопроса (рис. 27-3). Как видим, в
основании толщи, сложенной водоупорными грунтами, залегает напорный
водоносный горизонт мощностью Ллр с напором Н. Толща покрыта поверх-
ностной водой слоем d. Природное давление рпр в кровле напорного гори-
зонта /—/ определится из условия
Рпр [ABd Ч- Уw ^пр] Ав Н.
(27-1)
Напомним, что Ав и yw отвечают соответственно объемным весам
403
воды и грунта с порами, заполненными водой. При вскрытом и осушенном
котловане, при условии сохранения напорным горизонтом своего пьезомет-
рического уровня, на том же уровне /—I будем иметь
Ркотл Тда^котл Дв//. (27-2)
Естественно, что в данном случае толща разгружается. В этих условиях
возможно разуплотнение грунта, его дополнительное водонасыщение, ослаб-
ление прочности и вместе с тем пучение дна котлована, измеряемое нередко
десятками сантиметров (см. гл. 33). Условие равновесия в уровне 1—I
будет иметь место при
^котл = Н. (27-3)
Объемный вес грунта обычно ^2,0 Т/м3. Отсюда критическое значение
мощности hKp слоя под дном котлована над кровлей водоносного горизонта
определится как
л«Р=4- <27-4)
При всех значениях ЛКОТл, близких к ЛКЕ, грунт в основании котлована
будет находиться в трудных условиях работы возможно с совершенно недо-
пустимыми указанными выше последствиями, связанными с прорывом на-
порных вод в котлован. При этих условиях возникает необходимость или
ограничения глубины котлована, или разрядки напорных вод разгрузочными
дренажами — автоматически работающими ,скважинами*. Обратимся те-
перь по второму вопросу, связанному с расстройством и разжижением пес-
чаной толщи под воздействием пронизывающих ее восходящих токов воды
(гидродинамический эффект).
Устойчивость любого грунта в некоторой заданной точке толщи осно-
вания сооружения определяется величиной коэффициента запаса /сзап ,
устанавливаемого по выражению (21-9)
к — Sp
'Чзап т
макс
Сопротивляемость сдвигу spn песчаной) , как и любого другого сыпучего
(несвязного) грунта в статических условиях определяется в общем виде
выражением (8-7)
Spn = Ptg4n
Гидродинамический эффект находит свое выражение в давлении на мас-
су грунта, вызываемом фильтрующей через него водой. Это давление пря-
мым образом связано с величиной гидродинамического, или, короче, дина-
* Использованы впервые в мировой практике в СССР на Свирьстрое (1927 г.).
404
мического напора h2, определяющего собой в данной точке грунтовой толщи
гидравлический режим фильтрационного потока. Давление ph, создаваемое
напором hz, зависит от объемного веса фильтрующейся воды Дв и опре-
деляется выражением
Рй = Ав^ (27-5)
Как показывает анализ вопроса, в рассматривоемом плане имеет зна-
чение лишь восходящий фильтрационный поток, способный оказывать на
песчаную толщу взвешивающее давление (рис. 27-4). Отсюда сопротивляе-
Рис. 27-4. Расчетная схема для
оценки гидродинамического эф-
фекта на песчаную толщу:
hz — динамический напор восходящего
потока в уровне АА на глубине г; —
взвешивающее давление в том же уров-
не; В — пьезометр; 1 — пьезометричес-
кий уровень; 2—горизонт воды; 3 —
поверхность песчаной толщи
Ь В ь
Рис. 27-5. Расчетная схема для
оценки роли взвешивающего давле-
ния подземных вод при заглубле-
нии сооружения:
1 — пьезометрический уровень; 2 —- горизонт
воды
мость песчаной массы сдвигу эдин в гидродинамических условиях будет опи-
сываться в общем случае одномерной задачи следующей зависимостью:
$дин = (р — Ав hz) tg фл + сп, (27-6)
где hz — напор на горизонте z.
Как показывает практика, понижение сопротивляемости песка сдвигу
приобретает особо важное значение применительно к мало уплотненным
(рыхлым) песчаным массам, для которых зацепление близко к нулю. Для
этого случая выражение (27-6) перепишется в следующем виде:
«дин = [р — Ав hz} tg <р„. (27-7)
405
Очевидно, что при всяком динамическом напоре hz, отличном от нуля,
происходит некоторое ослабление сопротивляемости песка сдвигу, что уже
может отразиться на устойчивости толщи и возведенных на ней сооруже-
ниях.
Первый сомножитель правой части выражения (27-6) оказывается рав-
ным нулю при
р = ДвАг, (27-8)
откуда
= (27-9)
TAB
В этом случае становится равной нулю и сопротивляемость песка сдви-
гу. Ясно, что при таком положении песок совсем разжижается, полностью
теряет свою устойчивость и становится неспособным нести какую-либо
нагрузку.
Роль гидростатического и гидродинамического эффекта в несущей
способности основания сооружений. Как известно, роль заглубления Азагл
сооружения сводится к обеспечению в краевой зоне фундаментов в уровне
их подошвы некоторой дополнительной нагрузки, способной погасить вред-
ное влияние действующих здёсь касательных напряжений. Очевидно, что
при полном взвешивании слоя грунта в граничных с фундаментом зонах
выше его подошвы эффект заглубления будет полностью потерян. Для пояс-
нения сказанного обратимся к рис. 27-5. Обозначим нагрузку в уровне АА
подошвы фундамента от всей толщи грунта в пределах горизонтов АА—ВВ,
т. е. мощностью Азагл, через рзагл . При отсутствии в толще воды величина
рзагл определится известным нам элементарным выражением
Рзагл Т'ву^загл,
где 'fw — объемный вес грунта при влажности w (без учета взвешивания
водой.)
Представим себе, что в уровне А А имеются напорные воды с напором Ад .
Представим себе также (для обобщения вопроса), что сооружение возведено
в некотором водоеме, причем вода слоем d перекрывает толщу грунта.
Тогда нагрузка рзагл в уровне подошвы фундамента изменит свою величину
и будет уже измеряться как
О = [Ти, ^загл + -- АВАД. (27-10)
гзагл. нап 1 загл i в j в д \ /
Введем понятие коэффициента эффективности заглубления yi с опреде-
лением его по выражению
Рзагл. нап (27-11)
1 Рзагл
406
Подставим в выражение (27-11) значения рзагл.нап из выражения (27-10)
(lw ^-загл Д Ав Д Ав ^>1 (27-12)
^-загл
Проанализируем это выражение. Как видим, коэффициент эффектив-
ности заглубления может изменяться в пределах O-^p^l. Очевидно, что
при =0 эффективность заглубления оказывается полностью потерянной
и наоборот — при рх=1 заглубление сооружения Дзагл выполняет свою
роль в полной мере. Вполне понятно, что =1 имеет место при hA =0, d=0,
или, иначе говоря, когда сооружение возведено на незатопленном грунте.
Данный случай отвечает исходному.
При затоплении фундамента, но при отсутствии в толще напорных вод,
мы сталкиваемся со случаем гидростатического распределения давления
воды в толще, и здесь пьезометрический уровень для горизонта АА будет
совпадать с уровнем поверхностного водного слоя, т. е.
hA — ^загл + d. (27-13)
Подставив значения hA по выражению (27-13) в зависимость (27-12)
и выполнив простейшие преобразования, получим
(27.14)
I W
Обычно ^2 Т/м3; Ав=1 Т/м3. При этом условии р1=1/2.
Как видим, простое затопление толщи водой снизило эффективность
заглубления сооружения в два раза, чего, естественно, и следовало ожидать.
Допустим теперь, что грунт в засыпке за стенкой фундамента сложен
водопроницаемым, например песчаным, грунтом, через который идет раз-
рядка напора в условиях hA >(ЛзЯГЛ+^). Этот случай отвечает наличию
в песчаной толще восходящего фильтрационного потока с избыточным
(динамическим) напором
hz=hA— (/2загл + d). (27-15)
Для этого случая выражение (27-12) примет такой вид:
= 7в Азагл —Ав^. (27- j
Yw Л3агл
Подставив в это выражение значения =2 Т/м3; рв =1,0 Т/м3н Ав =
=1 Т/м3, получим
,, _ 1 ^загл hz -а
Г2 — ' г " ‘ 1 ‘)
'*загл
Из выражения (27-17) следует, что при Л2=йзагл коэффициент р2=0.
Таким образом, при наличии в песчаной толще восходящего филыпрацион-
407
ного потока с избыточным, напором в уровне подошвы фундамента, численно
равным величине заглубления сооружения, эффект заглубления сооружения
сводится также к нулю.
Гидравлический градиент как мера гидродинамического воздействия.
Как показывает опыт, возможность выноса песка из толщи ,фильтрацион-
ным давлением определяется действующим в подземном потоке гидравли-
Рис. 27-6. Фильтрационное воздействие
на грунт (схема)
ческим градиентом /ив первую оче-
редь величиной так. называемого вы-
ходного градиента /вых вблизи от
свободной поверхности слоя. Выде-
лим из толщи грунта, находящегося
под воздействием фильтрационного
потока, некоторый ее элемент с сече-
нием аз и длиной I (рис. 27-6). Фильт-
рация в выделенном элементе обус-
ловливается разностью напоров
и Н2, действующих в сечениях 1—1
и 2—2 по концам элемента. Удельное
давление в этих сечениях будет:
Р1 Ав
Р2 = АВЯ2. (27-18)
Давление воды Pi и Р2 справа и слева на весь элемент будет:
Pi = АвЯ1<о;
(27-19)
Р2 = ДВ Я2(о.
Очевидно, что фильтрационное давление Ц7ф, как движущее усилие,
направленное в левую сторону и отнесенное ко всему элементу грунта с
объемом V =ш I, будет
IF4) = P1-P2 = Ab/io), (27-20)
где h=Hi—H2.
Тогда фильтрационное давление шф как объемная сила, действующая
на единицу объема грунта, определится из выражения
<27-21)
т. е. учитывая выражение (27-20),
408
Как известно, гидравлический градиент
/=ф- (27-23)
Тогда
^Ф = ДВ/. (27-24)
Выражение (27-24) в нашем анализе является очень важным. При действии
фильтрационного потока в вертикальном направлении он будет уменьшать
вес грунта в соответствии с величиной градиента, обусловливающего этот
поток. При объемном весе грунта в подводном состоянии ув равновесное
положение будет соблюдено при условии
Ь = ^ф (27-25)
или
Тв = Ав/Кр. (27-26)
Как известно, ув =1,0 Т/м3 и Дв =1,0 Т/м3, следовательно, критическое
значение градиента, полностью взвешивающее грунт, будет близко к
/КР = КО (27-27)
или точнее к величине
/кр=^^ь, (27-28)
т. е. к объемному весу ув грунта в подводном состоянии, выраженному в
Т/м3. Согласно закону Дарси, скорость фильтрации.
Отсюда икр, как критическая скорость для грунта фильтрационного потока
будет
^р = ^ф/кр- (27-29)
Принимая во внимание выражение (27-27), получим для этой скорости
величину
укр = Кф. (27-30)
Выражение (27-30) позволяет устанавливать значение критической скорос-
ти для тех или иных грунтов в зависимости от отвечающего им значения
коэффициента фильтрации.
Анализ вопроса и наблюдения на реальных объектах показывают, что
взвешивающий избыточный напор /iz, а отсюда и определяющий условия
работы грунта градиент / может возникать в затопленной песчаной толще
по многим причинам и в первую очередь под воздействием следующего:
а) восходящего фильтрационного потока с низовой стороны напорных
сооружений (плотин и дамб);
409
б) волнового режима водоема, перекрывающего песчаную толщу;
в) восходящих токов воды, возникающих в песчаной толще при динами-
ческом на нее воздействии (сотрясении).
Условия динамической устойчивости водонасыщенных песков. Для
оценки условий возможного нарушения устойчивости водонасыщенных
песков под динамическим воздействием большой известностью за рубежом
пользуется так называемая теория критической пористости песков, пред-
ложенная А. Казагранде (США). Согласно этой теории устойчивость толщи
песка с пористостью псоор ниже критической пористости икр (т. е. при ус-
ловии Щ00р<Цкр) обеспечивается во всех случаях в полной мере; наобо-
рот, при пористости песка цсоор в сооружении или в его основании более
высокой, чем критическое для него значение (т. е. при п. оор>икр), устой-
чивость сооружения должна быть признана недостаточной и необеспечен-
ной.
Теория критической пористости подкупает своей исключительной прин-
ципиальной простотой. Однако в этом же заключается и ее основной недос-
таток, связанный с недоучетом в теории ряда важных факторов, в первую
очередь интенсивности силового динамического воздействия на водонасы-
щенную песчаную массу. Более полной в этом смысле оказывается филь-
трационная теория динамической устойчивости водонасыщенных песков,
разработанная в Советском Союзе*.
Сущность фильтрационной теории заключается в следующем. При
достаточной интенсивности сотрясения всякий песок уплотняется, причем
в тем большей степени, чем он меньше плотен и чем выше интенсивность
этого сотрясения. При достаточной плотности песка и малой интенсивности
динамического воздействия дальнейшее уплотнение песка может полностью
исключаться. Дополнительное уплотнение водонасыщенного песка при
порах, заполненных водой, возможно лишь при отходе из песка воды, из-
быточной для нового его состояния плотности. При наличии в основании
песчаной толщи водоупора отход избыточной воды в условиях одномерной
задачи возможен лишь к поверхности толщи (см. рис. 27-4).
В толще песка, испытывающего сотрясение, возникает восходящий филь-
трационный поток с градиентом 1г, различным для разных по глубине от
поверхности горизонтов. Это возможно при возникновении в поровой воде
избыточного (динамического) напора h.,, также различного для разных го-
ризонтов и изменяющегося, естественно, от своего максимального значения
в основании песчаной толщи (z=H) до нуля на открытой поверхности
при 2=0.
В пограничных с сооружением зонах за пределами влияния веса соору-
жения или в откосах земляных сооружений сопротивляемость водонасыщен-
* Н. Н. Маслов. Условия устойчивости водонасыщенных песков. Госэнер-
гоиздат, 1958.
410
ной песчаной массы сдвигу в динамических условиях s2 дин в уровне z от
поверхности толщи описывается известным нам выражением (27-7)
52ДИн = (Р —Ав^) tg ФЛ.
В данном случае нагрузка рпр в уровне z обусловливается весом пере-
крывающей толщи, т. е. р=рПр—Тв z‘
Тогда
дин = (7в г — Ав hz) tg ср. (27-31)
Для основания сооружения на глубине z под подошвой сооружения
будем иметь
sz дпн = [(Рг -г W) ~ Ав hz] tg ф, (27-32)
где ув— объемный вес песка в воде, обычно близкий к 1 Т/м3;
pz— вертикальное сжимающее напряжение от веса сооружения на
глубине z.
В основу этих выражений положено утверждение, что при динамичес-
ких воздействиях с интенсивностью, имеющей практическое значение, угол
внутреннего трения песка остается без изменения (ф — const)*.
Очевидно, что возникновение в песчаной толще при ее сотрясении ди-
намического напора h2 ведет к снижению сопротивляемости песка сдвигу
в тем большей степени, чем выше величина hz.
При увг = Ab/z2 в выражении (27-31) и при рв.г+р2= АВЛ2 в выражении
(27-32) силы внутреннего трения в песке становятся равными нулю, и песок
переходит в разжиженное состояние. При этом условии песок не может
нести никакой нагрузки, а любой, даже самый пологий откос способен оплы-
вать.
Нарушение устойчивости сооружения или откосов земляных сооружений
вполне возможно также в условиях, весьма далеких от полного разжижения
песка, т. е. при частичном взвешивании зерен песка и.частичном ослаблении
сил сопротивления трению в песчаной толще. Решающим условием здесь
будет величина соотношения действующих в толще касательных (сдвигаю-
щих) напряжений т и отвечающей данному динамическому режиму сопротив-
ляемости песка сдвигу здйн , т. е. величина коэффициента запаса устойчи-
вости, характерная для данного сооружения.
Таким образом, решение задачи об устойчивости песчаных масс при ди-
намическом на них воздействии вполне возможно и при использовании в
расчетах «дин, отвечающего данному случаю. Необходимо либо учитывать
в расчетах сооружений hz, либо сводить его теми или иными мерами к нулю
* Работы Р. Д. Филиппова (ЛИСИ); Хрусталев. Доклад на кон-
ференции АН СССР 2—3 июня 1955 г. по вопросам прочности грунтов.
411
5дин=5ст)' В этом случае расчеты по оценке устойчивости песчаных масс
выполняются обычным способом.
Последнее условие обеспечивается в том случае, если интенсивность
динамического воздействия, оцениваемая по ускорению а, будет ниже не-
которого критического для данных условий значения ускорения акр.
Под критическим ускорением акр подразумевается такое ускорение коле-
бательного движения, ниже которого не происходит дальнейшего уплот-
Рис. 27-7. Характер зависимости кри-
тического ускорения акр от плотности
песка:
1 — разнозернистый остроугольный песок (Кай-
ракумы); 2 — мелкозернистый окатанный песок
(район Волгограда)
нения песка. Очевидно, что при
а<акр напор hz во всех случаях ра-
вен нулю и здин =sCT. Ускорения а и
акр должны строго соответствовать
заданным значениям амплитуды А и
частоты колебаний /*. С увеличени-
0,1 0,2 0.3 /74 0,5 0,5 0,7 0,8 0,9 1,0
Пригрузка р, кГ/смг
Рис. 27-8. Зависимость критического ус-
корения аКр от нагрузки р при разной
плотности песка по пористости /г
ем до некоторого предела частоты колебаний / или, что то же, с умень-
шением периода колебаний Т при том же ускорении положение становит-
ся более тяжелым. Напомним, что ускорение амаксизмеряется в мм/сек2
или см!сек2 и определяется по выражению
“маке = 4^4 (27-33)
или, принимая во внимание частоту f колебания,
«макс = 4тг2 Af2. (27-33')
* Частота колебаний / измеряется герцами (гц), т. е. числом колебаний в одну
секунду.
412
Величина акр различна для разных песков (влияние гранулометрического
и минералогического состава, степени окатанности зерен и т. д.) и в сильней-
шей степени зависит от плотности песка (по пористости п или по объемному
весу скелета 7СК). Характер изменения критического ускорения акр от
плотности песка для двух характерных его разновидностей виден из
рис. 27-7, где обращает на себя внимание интенсивное возрастание акр при
увеличении плотности песка (по п или yck).
В самом деле, при объемном весе скелета 7СК= 1,52 Т/мг, что отвечает
пористости песка /2=43%, критическое ускорение для волгоградского пес-
ка равно 45 мм/сек2. Такое ускорение по своей интенсивности соответствует
землетрясению силой в 5 баллов, которое из-за своей незначительности не
учитывается при проектировании сооружений. Вместе с тем при уСк=
= 1,69 Т/м3, что отвечает пористости песка п=36%, величина критического
ускорения оказывается близкой к 400 мм/сек2. Такая интенсивность ускоре-
ния отвечает уже землетрясению силой в 8 баллов, которое по сейсмичес-
кой шкале оценивается как разрушительное. Таким образом, мелкозернис-
тый песок из района Волгограда при пористости 43% начинает уплотняться
уже при самой незначительной интенсивности динамического воздействия,
что, как мы знаем, приводит к снижению его сопротивляемости сдвигу в
динамических условиях и, следовательно, к понижению его общей устой-
чивости. Вместе с тем при плотности по пористости ц=36% этот же песок
способен безболезненно для себя воспринимать сотрясения с интенсивностью
колебаний по ускорению до 400 мм/сек2, так как при таком динамическом
воздействии возможность дальнейшего его уплотнения исключается. Ука-
занное свойство песков приобретает еще более резкое выражение при сла-
бой их окатанности (см. кривую для кайракумского песка на рис. 27-7).
Критическое ускорение акр возрастает с увеличением воздействующего
на песок нормального напряжения (нагрузки) р. Зависимос'ть акр =/(р) но-
сит при этом линейный характер (рис. 27-8). Благотворное влияние внешней
по отношению к песчаной массе нагрузки (вес сооружения, каменная на-
броска на откос или в граничной с сооружением зоне) при динамическом воз-
действии является бесспорной во всех сл'учаях. Вместе с тем собственный вес
песчаной толщи в данном случае имеет ограниченное значение и может учи-
тываться при определении акр лишь при кратковременном воздействии ди-
намической нагрузки (в течение нескольких секунд, в крайнем случае не-
многих десятков секунд). Само собой разумеется, что при определении соб-
ственного веса затопленной песчаной толщи должен учитываться объемный
вес песка во взвешенном состоянии (yb).
Критическое ускорение акр является природным свойством песка и
подлежит в каждом частном случае экспериментальному определению.
Никакие аналогии здесь недопустимы.
Определение акр выполняется в лабораториях на специальных приборах —
вибростолах, которые приводятся в колебательное движение с заданной ин-
413
тенсивностыо колебания по его амплитуде А и частоте колебания f, гц.
Величина «кр относится к той или иной плотности песка (по пористости или
объемному весу скелета 7СК) и отвечает критическому значению ускорения а,
при котором начинается уплотнение песка, фиксируемое по осадке его по-
верхности. Увеличение интенсивности динамического воздействия идет
Рис. 27-9. Установка для опреде-
ления динамических параметров
песков, состоящая из вибростола,
сосуда для испытываемого песка и
измерительной аппаратуры
обычно по линии повышения амплиту-
ды А колебания при постоянном значе-
нии его частоты /. При проведении
этого испытания частота колебания
обычно принимается в 15—20 гц, что
отвечает собственной (резонансной) час-
тоте колебания песчаной массы. Уско-
рение колебательного движения а при
тех или иных значениях амплитуды А
и частоты колебания/определяется при
этом по приведенному выше выраже-
нию (27-33). Общий вид установки для
определения динамических параметров
песков в лабораторной обстановке при-
веден на рис. 27-9. В полевых услови-
ях опыты проводятся в баках или лот-
ках большой емкости, приводимых в
колебательное движение специальными
механизмами (рис. 27-10). В качестве
таких параметров, необходимых для
прогноза динамического режима водо-
насыщенных песков, помимо критичес-
кого ускорения акр в анализе использу-
ют также коэффициент и модуль ди-
намического уплотнения Ап.
Под коэффициентом динамического
уплотнения. vn мы понимаем некоторый
показатель, характеризующий скорость
воздействием колеба-
Имеем
уплотнения песка с заданной плотностью п под
тельного движения с определенной интенсивностью (Л, Т и а).
dn
dt •
п
(27-34)
Размерность коэффициента »п — обратная времени (l/сек). Как пока-
зывают опыты, величина коэффициента меняется в широких пределах
в зависимости от свойств песка и в первую очередь от его плотности и ин-
тенсивности динамического воздействия. Характер изменения величины
коэффициента динамического уплотнения для некоторой разновидности
414
тонкозернистого песка в зависимости от его плотности и интенсивности ди-
намики иллюстрируется рис. 27-11.
В нашей задаче весьма удобен еще один обобщенный показатель —
модуль динамического уплотнения Ап:
(27-35)
Рис. 27-10. Опытная установка вместимостью 25 Т песка на
КайракумГЭСстрое для выявления сейсмической устойчивос-
ти песков, предназначенных для земляной плотины
Размерность модуля динамического уплотнения А„, естественно, будет
Нем или /Ли.
Модуль динамического уплотнения АП является особенно ценным при
оценке с динамической точки зрения песков из различных карьеров, наме-
ченных к использованию в качестве материала для тех или иных сооруже-
ний. Чем выше значение модуля Ап, тем менее устойчивым оказывается пе-
сок при динамическом на него воздействии. Характер изменения модуля
Ап в зависимости от плотности для некоторой разновидности тонкозернисто-
го песка (по пористости п) при разных ускорениях колебательного движения
а иллюстрируется рис. 27-12. Оба показателя ул и Ап определяются при за-
данных условиях путем несложного лабораторного эксперимента с уплот-
нением песка на вибростоле, измерением изменения его плотности во врс-
415
мени и наблюдением за величиной динамического напора hz, возникающего
в водонасыщенной песчаной массе при ее сотрясении с интенсивностью а>акр.
Для определения величины динамического напора используется следую-
щее уже известное нам по виду дифференциальное уравнение (25-6):
dhz-~-[H — z]dz, (27-36)
ф
где Я — мощность песчаной толщи (см. рис. 27-4).
Это уравнение составлено для условий одномерной задачи по балансу
воды, отходящей из песчаной массы при ее сотрясении и уплотнении. При
этом предполагается, что песчаная толща по всей ее глубине подвергается
Рис. 27-11. Характер изменения коэффициента динамического
уплотнения в зависимости от пористости п песка и ускоре-
ния колебательного движения а. Цифры III — X — балльность
по сейсмической шкале
сотрясению с одинаковой интенсивностью [ a^=/(z)=const ]. После инте-
грирования этого выражения в соответствующих пределах получаем сле-
дующую формулу для определения в заданных условиях величины дина-
мического напора hz.
hz = -^-\Hz-^-]. (27-37)
Лф [ z j
416
Величина динамического градиента 12 ’“находится из этого выражения
дифференцированием его по 2. Имеем
/ =^г. = -^-(Я —z).
z dz v ’
(27-38)
Выражения (27-36 — 27-38) в точности соответствуют выражениям (25-6),
(25-8) и (25-10)' с той лишь разницей, что в них вместо р- (коэффициента ста-
тического уплотнения), фигу-
рирует коэффициент динамичес-
кого уплотнения ул.
Подставляя в последние два
выражения модуль Ап по за-
висимости (27-35), получим
hz = А Гяг-41, (27-39)
Iz = An[H-z}. (27-40)
Как это следует из выраже-
ний (27-37) и (27-38), динамиче-
ский напор hz изменяется по
глубине песчаной толщи в пара-
болической зависимости, гра-
диент же Iz — по закону прямой
линии. Вместе с тем напор hz
связан с величиной мощности Н
песчаной толщи линейной зави-
Рис. 27-12. Зависимость модуля динамичес-
кого уплотнения Ап для некоторой разно-
видности тонкозернистого песка от пористо-
сти п при разной интенсивности колебатель-
ного движения
симостью.
Анализ приведенных выражений показывает, что увеличение динами-
ческого напора hz и, следовательно, снижение сопротивляемости песка
сдвигу здин, а также понижение устойчивости сооружений связано с коэф-
фициентом динамического уплотнения ул, коэффициентом фильтрации пес-
ка /Сф и, что весьма важно, с мощностью песчаной толщи Н.
Опасность нарушения устойчивости сооружения возрастает при этом
для песков, легко уплотняемых при сотрясении (однородных, хорошо ока-
танных, с высокой пористостью) и с низкой водопроницаемостью при высо-
кой сейсмичности и при большой мощности песчаной толщи Н.
Нарушение устойчивости основания сооружения при динамическом на
него воздействии в рассматриваемых условиях определяется взвешиванием
водонасыщенной песчаной массы и, как следствие этого, снижением в пес-
чаной толще сил сопротивления сдвигу.
В наиболее тяжелом положении при динамических явлениях оказывает-
ся толща песка в пограничной с сооружением зоне.
14 Заказ № 549
417-
Такое положение создается здесь в связи с понижением эффективности
заглубления сооружения [коэффициент р.2 по выражению (27-17) ]. Непо-
средственно под сооружением песок находится в лучших условиях в связи
с благотворным влиянием веса сооружения на величину критического уско-
рения.
Повышение роли эффективности заглубления сооружения в этом смысле
может быть обеспечено соответствующей пригрузкой граничной с сооруже-
нием зоны при ее затоплении, например слоем каменной наброски, а также.
Рис. 27-13. Виброустановка для уплотнения песков
в основании Асуанской плотины па р. Ниле
любого другого динамически неактивного (v„=0) или малоактивного (vn«
==?0) материала. Выше уровня воды с рассматриваемой целью может быть
использован любой материал и в том числе песок, динамически активный
в затопленном состоянии. Однако влияние собственного веса песка ниже
уровня воды как пригрузки и фактора повышения общей его устойчивости
за счет увеличения значения критического ускорения имеет ограниченное
значение. Его влияние с увеличением длительности динамического воздей-
ствия падает.
В качестве одного из основных мероприятий по обеспечению динамичес-
кой устойчивости водонасыщенных песчаных оснований является их уплот-
418
нение. Как это явствует из рис. 27-11 и 27-12, уплотнение песков, связанное
со снижением их пористости, ведет к снижению величин коэффициента
и модуля динамического уплотнения Ап, а отсюда и самого динамического
напора со всеми вытекающими отсюда благоприятными последствиями.
Вопросу обеспечения устойчивости сооружений на толще затопленных
песчаных оснований после ряда аварийных случаев уделяется в настоящее
время все возрастающее внимание.
В частности, в США выдвинуто тре-
бование, чтобы плотность песка в
основании фундаментов и сооруже-
ний, работающих в обычных усло-
виях, не была ниже Z)=0,7 (D —от-
носительная плотность, см. гл. 7, вы-
ражение 7-18). Для сооружений, воз-
водящихся в сейсмических районах,
для песка в качестве основания соо-
ружений требуется еще более высокая
плотность: £>=0,85-4-0,90. При мень-
шей плотности песка рекомендуется
его уплотнять до требуемого предела
теми или иными искусственными ме-
тодами. Это требование касается в
первую очередь песчаных подушек
при значительной их мощности, вы-
полняемых путем намыва песка сред-
ствами гидромеханизации.
Подобная задача возникла в свя-
зи с необходимостью обеспечения ди-
намической устойчивости песчаного
основания Асуанской плотины. Ос-
нованием этой плотины служила по-
душка из намытого мелкозернистого
песка мощностью 30 ж. Как это поч-
ти всегда бывает при намыве, плот-
ность песка в этой подушке была
Рис. 27-14. Зависимость величины сейсми-
ческого критического ускорения аскр от
пористости п в грунтах нарушенной струк-
туры (сплошная линия) и монолитах
(пунктирная линия), взятых из ядра пло-
тины, при различном процентном содержа-
нии в грунте глинистых частиц
Пористость, п Л
41 &
14*
недостаточно высокой (объемный вес скелета тСк= 1,564-1,58 Т/м3). Воз-
никла необходимость уплотнения песка в подушке на глубинах до 30 м.
Это уплотнение было выполнено посредством специально сконструирован-
ного в Советском Союзе снаряда (рис. 27-13). В основу этого механизма
был положен принцип уплотнения песка посредством «штыкования» толщи
мощными стержнями-трубами с вмонтированными в них вибраторами. В
конечном итоге был достигнут благоприятный результат: плотность в песке
'была повышена по объемному весу скелета от т'ск = 1,564-1,58 до у"ек —
= 1,68-41,70 Т/м3.
Уплотнение в подводном состоянии песчаной толщи взрывами в силу
кратковременности колебания, вызываемого взрывом, требует для дости-
жения необходимого эффекта проведения повторных взрывов. Это обстоя-
тельство значительно снижает эффективность данного мероприятия.
Нередко возникает вопрос о динамической устойчивости глинистых
грунтов. Как показывают исследования Ю. Я- Велли*, в данном случае
являются определяющими как связность и структурное сцепление с,.
глинистых грунтов, имеющими в этом смысле явно благотворное влияние,
так и длительность 1кр динамического воздействия на эти грунты. Кривые
на рис. 27-14 (рисунок заимствован из работы Ю. Я- Велли) относятся к
/кр=5мин. Эти кривые свидетельствуют о большей динамической устойчиво-
сти глинистых грунтов с ненарушенной структурой и с большим содержа-
нием в них частиц с размером меньше 0,005 мм.
В заключение отметим, что при динамическом воздействии на малоплот-
ные массы сухого песка (сотрясении) во многих случаях может возникнуть
вопрос о динамической осадке песка в результате его уплотнения. С таким
положением часто встречаются при осадке малоуплотненных насыпей и
интенсивном движении. Иногда эта осадка может измеряться многими де-
сятками сантиметров. Вопрос о прогнозе этого явления разрешается просто
при установлении на основе простейшего динамического испытания модуля
динамической осадки един (размерность мм/м). Испытание должно прово-
диться с уплотнением интересующего нас песка с определенной пористостью
посредством вибрации его в сосуде с наперед заданной интенсивностью ди-
намического воздействия и при заданной внешней нагрузке р.
* Ю. Я. Велли. К вопросу о сейсмической устойчивости намывных ядерных
плотин. «Вопросы механики грунтов», сборник 28, ЛИСИ, 1958.
ЧАСТЬ VIII
ОСОБЫЕ ФОРМЫ НАРУШЕНИЯ ПРОЧНОСТИ И
УСТОЙЧИВОСТИ ОСНОВАНИЙ СООРУЖЕНИЙ
И ГОРНЫХ МАССИВОВ
ГЛАВА 28
УСЛОВИЯ НАРУШЕНИЯ ОБЩЕЙ УСТОЙЧИВОСТИ
И ДЕФОРМАЦИИ ОСНОВАНИЯ СООРУЖЕНИЯ, ВОСПРИНИМАЮЩЕГО
ГОРИЗОНТАЛЬНОЕ УСИЛИЕ
Классификационные схемы
К числу сооружений, воспринимающих горизонтальную нагрузку, в
первую очередь должны быть отнесены плотины и подпорные стенки, под-
держивающие земляные массы, а также обсыпные мостовые устои, опоры
арочных мостов и анкерные опоры висячих мостов. В ряде случаев под боль-
шим горизонтальным давлением (до 100 Т) оказываются и русловые мосто-
вые опоры в связи с давлением на них ледовых полей и навала судов. Ак-
туальность рассматриваемого вопроса применительно к мостовым опорам
подтверждается многочисленными случаями горизонтального их смещения,
в том числе ряда мостов в Москве (через р. Москву), в Кинешме (через р. Оку)
и т. д.
При оценке степени надежности сооружений, находящихся под одно-
временным воздействием вертикальных и горизонтальных нагрузок, во
всех случаях надлежит считаться с возможностью нарушения устойчивости
сооружения в результате плоского или глубокого сдвига (рис. 28-1).
Плоский сдвиг, как правило, выражается в поступательном
смещении сооружения по некоторой более или менее плоской поверхности
скольжения, часто совпадающей с контактом грунтовой толщи и подошвы
сооружения (рис. 28-1, а).
Плоский сдвиг, как правило, происходит при относительно низких по
отношению к размерам сооружения вертикальных нагрузок и, наоборот,
относительно высоком сдвигающем усилии, приложенном к сооружению
с широко развитой подошвой (фактор 2 b — влияние ширины фундамента
или сооружения).
При глубоком сдвиге сооружение испытывает просадку, поворот
и смещение по некоторой криволинейной или более сложной поверхности
скольжения, например АВС или ADEC. Этот процесс идет уже с наруше-
нием устойчивости основания сооружения, которое резко деформируется
(см. рис. 28-1, б),
421
Поверхности скольжения заходят в толщу грунта. Таким образом, в
работу сопротивления сдвигу включается сам грунт. Сдвиг проходит по
принципу «сдвиг грунта по грунту». В данном случае решающее значение
имеет общее сопротивление породы сдвигу как за счет сил трения, так и за
счет связности и структурного сцепления грунта. Форма поверхности сколь-
жения определяется размером и характером сооружения и в особенности
строением и несущей способностью основания, а также характером прило-
женной к нему нагрузки.
..В противоположность плоскому сдвигу глубокий сдвиг обычно проис-
ходит при недостаточной несущей способности основания, к тому же пере-
груженного весом сооружения. Развитие глубокого сдвига и форма его прояв-
ления диктуются следующими условиями.
Под влиянием вертикального -усилия Р, приложенного к грунту в подо-
шве сооружения, в его основании возникают касательные напряжения
Касательные напряжения tq г связанные с воздействием на сооружение
сдвигающего усилия Q, накладываются на . Тем самым способность
грунта к восприятию сдвигающих напряжений хР снижается. Отсюда и
возникает криволинейный характер зависимости ткр =/(р). Все эти про-
цессы протекают в толще основания сооружения, что и обусловливает в
данных условиях развитие глубокого сдвига.
В некоторой части основания сооружения со стороны действия силы Q
напряжения и tq оказываются направленными различно. Их взаимное
действие на грунт ослабляется и устойчивость грунта повышается. При
некоторых условиях это обстоятельство приводит к сложному характеру
кривой скольжения (ломаная ADEC по рис. 28-1, б), при которой сдвигов
некоторой его части происходит по подошве сооружения. Очевидно, что
здесь мы сталкиваемся с переходной формой от плоского сдвига к глубокому.
При значительной величине Р, а следовательно, и р напряжения т
могут оказаться столь высокими, что полностью исчерпают способность грун-
422
та к сопротивлению сдвигу. Очевидно, при этом условии сооружение ока-
жется не способным воспринять без деформации основания какую-либо го-
ризонтальную нагрузку Q.
Как плоский, так и глубокий сдвиг сооружения обычно сопровождает-
ся катастрофическими последствиями, и, само собой разумеется, возмож-
ность такой деформации сооружения должна быть пресечена с самого на-
чала.
Существуют критерии условий перехода плоского сдвига в глубокий,
однако в общем случае принципиально более простым и, что наиболее важ-
но, более убедительным является одновременная параллельная оценка
степени устойчивости проектируемого сооружения в отношении как плос-
кого, так и глубокого сдвига.
Плоский сдвиг
Различаются две возможные формы плоского сдвига:
1) контактный сдвиг — обычно по подошвесооружения и
при наличии в его основании достаточно плотных и твердых пород с отно-
сительно высокой несущей способностью;
2) сдвиг по прослойку
— обычно ограниченной мощности, со
слабой сопротивляемостью сдвигу (на-
пример, мягкой пластичной глины),
включенному в толщу относительно бо-
лее устойчивых пород.
Поверка на плоский сдвиг обяза-
тельна для всех сооружений, воспри-
нимающих горизонтальную нагрузку,
с неглубоко заложенными фундамента-
ми. Поверка эта несложна и вместе с
тем весьма показательна*. Рис. 28-2. Расчетная схема по про-
Рассмотрим общий случай (рис. верке устойчивости сооружений на
28-2). Сооружение с площадью основа- плоский сдвиг
ния ю=2Ь-2а передает грунту верти-
кальную нагрузку Р. Вместе с тем сооружение воспринимает с верховой
и низовой сторон соответствующие сдвигающие усилия QB и QH. Эти уси-
лия могут быть вызвайы, например, давлением воды со стороны верхнего
и нижнего бьефов, давлением земли, распором арочных пролетных строе-
* Исчерпывающее изложение современных методов расчета подпорных стен
для самых различных условий их работы с приведением ряда численных примеров
читатель может найти в книге Г. К- Клейна «Расчет подпорных стен». Изд-во
«Высшая школа», 1964.
423
ний, тягой тросов на анкерные массивные опоры висячих мостов, тормоз-
ными силами и т. д.
Принимается, что Это вызывает потенциальную возможность
плоского сдвига сооружения по его подошве АА в левую сторону по черте-
жу. В некоторой своей части сооружение может быть расположено ниже
уровня поверхнос'тных и грунтовых вод. Это обстоятельство вызывает взве-
шивающее противодавление на подошву сооружения с его равнодействую-
щей U. Сооружение как с верховой, так и с низовой стороны заглублено
соответственно на hB и hB. Таким образом, к сдвигающим силам со стороны
верхнего бьефа присоединяется активное давление земли Ба.в, действующее-
на верховую грань фундамента сооружения. Давление земли на низовую
грань фундамента препятствует смещению сооружения и в данном случае
является пассивным (отпор 7?п.н).
Расчет по оценке степени устойчивости сооружения на плоский сдвиг
с возможностью его смещения по подошве АА заключается в определении
величины коэффициента запаса устойчивости /ссдв, который определяется
по выражению.
К„в = 4> <28->>
где S — активные сдвигающие силы, воздействующие на сооружение;
R — то же, пассивные (реактивные).
В данном случае мы имеем
3 = «в-<?н)+1(£8..-£а.к)- <28-2>
Сила 7? сопротивления сдвигу сооружения складывается:
а) из сил трения Т, возникающих под весом сооружения, с учетом в-
соответствующих случаях его взвешивания водой
T=(P--t7)tg(p; (28-3)
б) из сил сцепления С по подошве о> сооружения или в пределах про-
слойки грунта при проверке на сдвиг по прослойку
С = шс9 (28-4)
Таким образом, общее сопротивление сооружения сдвигу
7? = Т + С == (Р — U) tg ф + (осв (28-5)
Подставляя значения S и 7? в выражение (28-1), получим окончательно-
__ (Р — (/) tg Ср + (DC
СДВ [Зв-Сн]+[£а.в-£а.н] *
В особых, относительно редких случаях (грубообломочные грунты)
при оценке устойчивости сооружения на плоский сдвиг можно учитывать
424
с низовой грани сооружения отпор грунта Еп=н . В этом случае коэффициент
запаса /ссдв.п определяется по следующему выражению:
- (P-^)tg9+^+(gn,H-£a.H)
Кедв.п- lQB-QHl+[£a.B-£a .„]
Пассивное давление Еп^ включается в числитель этого выражения по
разности с активным давлением Еа.п, так как эта часть давления на заднюю
грань фундамента уже учтена в знаменателе формулы.
Таким образом, оценка общей устойчивости сооружения на плоский сдвиг
по принципиальной схеме выражений (28-6) и (28-7) является достаточно
простой. Вся сложность выполнения этого расчета заключается в правиль-
ном установлении входящих в эти формулы величин, а также в необходи-
мости выполнения в подобающих случаях расчетов по прогнозу возможной
длительной деформации смещения сооружения в условиях ползучести гли-
нистых грунтов в его основании. Перейдем к рассмотрению этих вопросов.
Плоскость скольжения. В зависимости от конфигурации
подземного контура и геологического строения основания расчетная плос-
кость Скольжения может быть принята по одному из следующих вариантов:
1) по контактной поверхности подошвы сооружения и толщи грунта
(при плоской подошве и однородном строении толщи основания);
2) по плоскости, соединяющей зубья в подошве сооружения, проходящей
в однородной толще грунта и выходящей на поверхность по тем или иным
поверхностям;
3) по прослойке с пониженной несущей способностью и сопротивляе-
мостью сдвигу, залегающему на некоторой глубине в толще более устойчи-
вых пород.
Последнее условие часто недоучитывается, например в связи с наличием
в толще сыпучих пород пластичных глинистых прослоев. Один из таких при-
меров иллюстрируется рис. 28-3. Здесь оказалась сдвинутой под давлением
засыпки портовая причальная стенка, построенная из загруженных железо-
бетонных ящиков, поставленных на песчаную подушку, выполненную на-
мывом*. Причиной нарушения устойчивости сооружения явилось наличие
в основании песчаной подушки глинистого пласта с пониженным сопротив-
лением' сдвигу. Этот пласт залегал на 1 м ниже подошвы сооружения и не
был учтен при проектировании стенки. Возможно, что поводом к аварии
послужило увеличение давления на стенку рыхлой, также выполненной
намывом песчаной засыпки в динамических условиях, порожденного, на-
пример, волнением на акватории (см. далее). Такие случаи в портовой прак-
тике отмечались неоднократно, и с возможностью их появления всегда необ-
ходимо считаться.
* W. Loos. Practische Anwendung der Baugrunduntersuchung. Springier. Ber-
lin, 1935.
425
Наклонное залегание пластов со значительным падением повышает
в общем случае устойчивость сооружений на сдвиг. Это объясняется тем,
что в данном случае исключается возможность плоского сдвига сооружения
2
Рис. 28-3. Сдвиг ограждающей
портовой причальной стенки:
1 — песчаная засыпка; 2 — смещение стенки;
3— уровень воды в акватории; 4 — положе-
ние стенки после смещения; 5 — песчаная
подушка; 6 — глинистый пласт
по какому-либо определенному, наи-
более слабому пласту или прослою.
Однако учет этого обстоятельства
обязателен при глубоком захождении
поверхности скольжения в толщу осно-
вания.
При проверке устойчивости соору-
жения по схеме плоского сдвига по
относительно глубоко залегающему сла-
бому прослойку нормальное усилие,
отвечающее весу сооружения Р, в вы-
ражениях (28-6) и (28-7) должно быть
принято с учетом веса толщи грунта в
пределах от подошвы сооружения до-
прослойка, Т. е. -Ррасч
РраСч = Р + (28-8)
где со — площадь подошвы сооружения;
Лпр — глубина залегания расчетного прослойка под подошвой соору-
жений;
— объемный вес грунта.
Противодавление U в выражениях (28-6) и (28-7) должно приниматься
в этом расчете в уровне подошвы слабого слоя.
При относительно глубоком залегании слабого слоя под поверхностью
грунтовой толщи величины пассивного^- и активного давлений земляных
масс Еа.в , Еп.н ,и Еа.н по рис. 28-2 и формулам (28-6) и (28-7) определяются
применительно ' к расчетным глубинам:
^в.расч ~ “Ь ^пр’
(28-9)
Ай, расч ~ ^пр-
Иначе говоря, весь расчет переносится в плоскость кровли слабого про-
слойка.
При наличии в толще с падением пластов в сторону верхнего бьефа сла-
бых глинистых прослоев, расчет проводится с учетом ослабленного сопро-
тивления сдвигу по этому прослою в низовой призме.
Установление расчетных характеристик сопротивления сдвигу. При
установлении расчетных характеристик сопротивления грунтов сдвигу (см.
гл. 8) необходимо считаться с исключительной ответственностью этой опера-
426
ции применительно к рассматриваемому случаю. Здесь приходится считать-
ся с тем обстоятельством, что при принятых нашими нормами весьма не-
больших коэффициентах запаса устойчивости подпорных сооружений*
всякая, даже незначительная ошибка в установлении этих расчетных вели-
чин способна повести к самым тяжелым и, быть может, просто к катастро-
фическим последствиям.
При установлении расчетных характеристик в данном случае требуется
особо внимательно учитывать в соответствии с указаниями Е. С. Ловец-
кого** все условия, способные изменить сопротивляемость глинистых грун-
тов сдвигу в сторону их снижения. К числу подобных факторов должны быть
отнесены влияния на грунты в преждевременно вскрытых и оставленных
без защитного слоя котлованах атмосферных агентов (выветривание и
осадков, мороза), разуплотнения и дополнительного увлажнения грунтов,
а также в связи с пучением дна котлованов при разгрузке грунта и давления
грунтовых вод, связанных с экскавацией котлована и его осушением и т. д.
Особому учету в этом смысле подлежат вопросы, связанные с возможным
ослаблением глинистых грунтов во времени (см. гл. 29) и любых грунтов
при динамическом на них воздействии (см. гл. 27).
Особому рассмотрению подлежит вопрос о возможности использования
в рассматриваемых условиях применительно к глинистым грунтам свой-
ственного им сцепления. Напомним, что общее сцепление cw глинистых
грунтов по выражению (8-25) равно
^w ' 2jw
Здесь
сс— жесткое структурное сцепление с необратимыми связями;
— связность водно-коллоидной природы с восстановимыми связями.
При принятии решения об использовании в расчетах структурного сцеп-
ления сс необходимо считаться со следующими условиями. Прежде всего
следует учитывать, что сцепление сс, определенное на лабораторных при-
борах, в силу малой их величины и часто отсутствия возможности свобод-
ной деформации образца при сдвиге нередко оказывается завышенным
против своего реального значения, отвечающего природной обстановке.
Это положение касается всех без исключения разновидностей грунтов и
горных пород и может быть вызвано невозможностью надлежащего модели-
рования в лаборатории текстурных и структурных особенностей грунтов
и пород, а также их трещиноватости «in situ», т. е. в природной обстановке.
* В зависимости от класса капитальности сооружений и расчетного сочетания
нагрузок нормативные значения коэффициентов запаса варьируют в пределах от
1,3 до 1,05.
** Е. С. Ловецкий. Вопросы исследования прочности связных грунтов.
Изд. Гидропроекта, М., 1960; Е. С. Ловецкий. Инструктивные указания по
установлению расчетных показателей физико-механических свойств грунтов. Изд.
Гидропроекта, М., 1964.
427
Существенное значение в рассматриваемом плане могут иметь всякого рода
незначительные по величине жесткие включения в грунт, а также выступы
по стенкам трещин в скальных породах ит. д., способные резко повысить
сопротивление сдвигу образцов в лабораторных приборах и практически
играющие весьма незначительную роль по своему масштабу в реальной об-
становке. Здесь надо быть очень осторожным. В этих условиях большое зна-
чение приобретают надлежаще проводимые полевые опыты и наблюдения.
Нормальное напряжение р,кГ/смг
Рис. 28-4. Сопротивляемость сдвигу sp вторичных каолинов при
высоких значениях нагрузок р (по В. И. Печковскому)
глинистых грунтов сдвигу от нагрузки spw=f(p) приобретает криволиней-
ный характер (рис. 28-4). В этом случае угол внутреннего трения © и сцеп-
ление с породы приобретают переменное с нагрузкой значение. При этом
условии полезно использовать в расчетах некоторые новые показатели со-
противляемости грунтов сдвигу: 1) коэффициент сопротивления сдвигу
Fp; 2) угол сопротивления сдвигу ф .
Коэффициент сопротивления сдвигу Fp опре-
деляется численно отношением сопротивляемости грунта сдвигу sp к от-
вечающей ей нагрузке р, т. е=
= (28-10)
Обратимся снова к рис. 28-4.
Соединим для примера лучом точки 0 и В. Очевидно, что ордината точ-
ки В будет отвечать сопротивляемости грунта сдвигу s6 при нагрузке
р=6 кГ/см2. Обозначим угол, образуемый лучом О В и осью абсцисс, через
и назовем его углом сопротивления сдвигу. Тогда
= (28-11)
428
Здесь индексы при s и ф обозначают нагрузку р, к которой они относятся.
Из выражения (28-11) имеем
= (28-12)
Сопоставим зависимости (28-10) и (28-12). Из этого сопоставления сле-
дует, что
= (28-13)
и
ФР = arc tg Fp. (28-14)
Из рис. 28-4 вытекает, что угол сопротивления сдвигу а следова-
тельно, и коэффициент сопротивления сдвигу Fp уменьшаются с увеличением
нагрузки р. Следовательно, во всех случаях то или иное численное значение
Fp и фр для одного и того же грунта должно быть отнесено к некоторой оп-
ределенной нагрузке р, что и находит выражение в индексах при их обоз-
начениях.
В некоторых случаях удобно использовать показатели Fp и фр при на-
личии линейной зависимости s =f(p), т. е. при
sp = Р tg <р + с.
В этом случае
Fp=^- = tg ср +. (28-15)
Весьма важно отметить, что коэффициент сопротивления сдвигу F
при увеличении нагрузки р стремится к своему значению /?co = tg сс, а сам?
угол сопротивления сдвигу фр — к углу трения ср.
Из всего сказанного вытекает, что показатели Fp и фр являются обоб-
щенными, учитывающими как силы внутреннего трения в грунте, так и
сцепления.
При использовании в расчете оценки степени устойчивости сооружения
на плоский сдвиг коэффициента сопротивления сдвигу Fp наше основное
выражение (28-6) приобретает следующий вид:
£ —___________LE_~ __________ (28-167
СДВ [Qb-Qh]+ [£а.в-£а.н] * 1 '
Соответственно меняется и выражение (28-7) при учете отпора грунта
р
^п.н-
Использование выражения (28-16) в расчетной практике часто оказы-
вается весьма удобным. Однако не следует забывать, что вводимая в расчеты
величина Fp должна строго отвечать нагрузке р0 или рг, действующим со-
ответственно по подошве сооружения или по заглубленному прослою.
Реологические явления и их роль в плоском сдвиге подпорных сооруже-
ний. Вопросы длительной устойчивости. Мы имели уже случай отметить
42 9*
выше катастрофические последствия, вызванные длительной Деформацией
плотин Гробуа и Бузей (см. гл. 26). Такие случаи, естественно, в строитель-
ной практике бывают редко. Вместе с тем известны многочисленные случаи
„деформации и нарушения устойчивости в подобных условиях подпорных
стенок, поддерживающих земляные откосы. Такие случаи отмечены в ряде
городов, на дорогах, в портах.
Весьма интересный материал о режиме ряда подпорных стен, обследо-
ванных Р. Пэком (II Международный конгресс по механике грунтов), по-
казан в графической форме на рис. 28-5. Роль деформации глинистых грунтов
в основании и засыпке подпорных стен выступает здесь вполне отчетливо.
а)
Смещение сразу неопределенное
после постройки । состояние
Полное.
разрушение
Стабилизиро-
давшиеся П.
впоследствии
Засыпка шеизвестн
основ ание не из -
вестно
Прогрессируют ее
смещение или
наклон
О Стенки на естественном основании
FP3 Стенки на сваях
Засыпка: глин
основание-.песок,
гравий, скала
Засыпка неизвестна
основаниеглина
17%
Засыпка-глина
основание- глина
Засыпка: глина
основание неизвестно
Рис. 28-5. Диаграмма условий деформации подпорных стенок (по Р. Пэку):
•а — характер деформации; б — грунты основания и засыпки стенок, находящихся в состоянии про-
грессирующего смещения и наклона
Анализ всех этих и им подобных случаев привел к ясному представлению о
том, что причиной наблюдающейся деформации и нарушения устойчивости
этих сооружений являются реологические свойства глинистых грунтов, свя-
занные с их ползучестью и, при некоторых обстоятельствах, падением проч-
ности во времени (см. гл. 26).
Обратимся к выражениям (28-6) и (28-7). Как видим, падение устойчи-
вости во времени подпорных сооружений, в том числе плотин и подпорных
стенок, может иметь место (при сохранении прочих условий постоянными) за
ючет снижения во времени сцепления с в грунте. Как это было уже показа-
но выше в гл. 26, подобное явление применительно к глинистым грунтам
может иметь место при наличии длительной и значительной деформации
грунта, связанной с явлениями ползучести. К вопросу о деформации смеще-
ния подпорных сооружений и метода ее прогноза мы еще вернемся в даль-
нейшем. Здесь же отметим, что падение устойчивости подпорных стен может
/иметь место также и в связи с увеличением активного давления земли Еа,в
/на стенку с верхней стороны и снижением отпора (пассивного давления)
Лп.н с низовой стороны стенки (см. формулу 28-7). Для более детального
-430
рассмотрения этого вопроса здесь будет уместно вспомнить, что для прос-
тейшего случая (вертикальная задняя грань стенки, горизонтальная по-
верхность засыпки, отсутствие на ней нагрузки, отсутствие трения по кон-
тактной поверхности А—А — задняя стенка — грунт засыпки) эпюра
активного давления земли по высоте стенки носит характер треугольника
bed. (рис. 28-6, а), причем это давление для несвязных грунтов (с=0) в
уровне z от поверхности засыпки будет
рх = V tg2 (45° - . (28-17)
В уровне подошвы стенки высотой Я, т. е. при z=H,
Px = Pa = -rtftg3(45°--y). (28-18)
Рис., 28-6. Схема активного Еа (а) и пассивного Еп (б)
давлений на подпорную стенку для несвязных (с = 0) и
связных (с 0) грунтов
Вместе с тем результирующая этого давления Еа для всей стенки, при-
ложенная на х/3 ее высоты от подошвы, будет
£> = (28-19)
Соответственно величина отпора или полного пассивного давления Еп
для тех же условий будет
£„ - tg2 Н5° + 4У). (28-20>
431
Сцепление в грунте уменьшает удельное активное давление грунта ра
:на стенку в каждой точке по ее высоте на величину рс, равную
(28-21)
рс=2сЦ45°---И.
Проведя необходимые преобразования, можно получить следующие
формулы для определения полного активного Еа.с и полного пассивного
,£п.с давления на стенку высотой Н при учете сил сцепления в грунте *:
£.. о=4 (45° - 4) -2с [я te (45° - 4) - т]; <28’22)
с=ф т#2 tg2 (45° + 4) +2сН ‘й (45° + 4) • <28-23)
Сопоставляя выражения (28-22) и (28-23) с зависимостями (28-19) и
1(28-20), первые два выражения можно переписать в следующем виде:
Еа.с = Еа-2с [яtg (45°----------г) - ф]; (28-24)
Е„.о = £п + 2сН tg(45° + -i). (28-25)
Величины Еа и Еп измеряются, как известно, площадями соответствую-
щих треугольников эпюр давления грунта на стенку. Как это следует из
.выражений (28-24) и (28-25), величины полных давлений Еа.с и Еп.с при уче-
те сил сцепления в грунте получаются путем соответствующего вычитания
или прибавлении к треугольным эпюрам давления Еа и Еп некоторых пря-
моугольников, определяемых вторыми членами этих выражений. Указанное
:выше иллюстрируется рис. 28-6.
Сложные условия работы создаются с низовой стороны подпорных со-
оружений, если здесь залегают сыпучие грунты с недостаточной плотностью,
тем более в затопленном положении, и если сооружение может оказаться под
динамическим воздействием, например в связи с сейсмическими явлениями.
Как мы знаем, в этом случае песчаные грунты способны разжижаться с пол-
ной потерей внутреннего трения между частицами. При этих условиях от-
пор грунта по формуле (28-20) резко снижается и в пределе будет равен ак-
тивному давлению тяжелой жидкости с удельным весом у, т. е.
£п = Еа= ф. (28-26)
Однако особенно сложные условия в работе подпорных стенок создают-
ся в рассматриваемом отношении при возведении их на глинистых грунтах
и при поддержании ими откосов, сложенных глинистыми грунтами.
* См., например: Н. Н. Маслов. Прикладная механика грунтов, 1949, стр. 164.
432
Прежде всего отметим, что анализ работы рассматриваемых сооружений
указывает, что отпор грунта Еп.н с низовой стороны может возникнуть лишь
при некотором «нажатии» низовой гранью фундамента сооружения на грунт.
Отсюда для полной мобилизации сил отпора грунта Еп,и с низовой стороны
приходится считаться с необходимостью некоторого смещения сооружения,
т. е. сдвига. Мало того во всех тех случаях, когда породы основания характе-
ризуются повышенной сжимаемостью, нажатие на грунт в зоне дей-
ствия Еп_н приводит к его уплотнению и к ослаблению эффекта нажатия,
что в свою очередь ведет к ослаблению отпора грунта. В конечном итоге
для включения в работу отпора Еп,к с низовой стороны сооружения в пол-
ной его величине необходимо некоторое, иногда весьма заметное перемеще-
ние сооружения. Обычно возможность такого сдвига сооружения не допус-
кается.
Следует также иметь в виду, что в отличие от формул по определению
активного давления грунта формулы для пассивного давления, исходящие
из представления о плоской поверхности скольжения, могут часто вести к
очень резкому преувеличению получаемых результатов против действитель-
ных и в тем большей степени, чем выше угол трения грунта. Так, например,
при ср =16° погрешность достигает едва 15—20%; при ср =30° погрешность
увеличивается до 100% и т. д.
При таких условиях в расчет обычно вводится не отпор грунта £п.н с ни-
зовой стороны сооружения, а действующее здесь также активное давление
Еа.п» со всеми теми оговорками, которые будут по этому вопросу сделаны
ниже.
Мы имели уже случай отметить, что связность глинистых грунтов с
течением времени способна ослабляться (см. гл. 26). При этом условии, при
отсутствии в глинистых грунтах структурного сцепления сс длительная
прочность скрытопластичных глинистых грунтов Sc» будет определяться
лишь силами внутреннего трения.
Следовательно, в этом случае, несмотря на наличие в грунте видимого
сцепления сда=2да, активное и пассивное давления подобных грунтов для
длительной работы стенок должны определяться исходя из выражений (28-19)
и (28-20). Вместе с тем известно, что даже у скрытопластичных глинистых
грунтов угол внутреннего трения обычно невелик. У пластичных
грунтов он, как известно, вообще равен нулю (срда == 0). При этом условии во
многих случаях активное и пассивное давления глинистых грунтов окажут-
ся во времени близкими к давлению, развиваемому тяжелой жидкостью с
удельным весом, равным объемному весу грунта, со всеми вытекающими
отсюда последствиями по увеличению давления и повышением линии дейст-
вия этого давления (см. рис. 28-6).
Однако следует иметь в виду, что такое ослабление глинистых грунтов и
неизбежно связанное с этим повышение активного давления Еа на стенки
во многих случаях при тугих консистенциях грунта может идти достаточно
433
медленно. При наличии в грунте структурного сцепления сс до сохранения
этого сцепления ненарушенным развитие указанного процесса будет тормо-
зиться. При этом условии использование для определения Еа.с и £п с
выражений (28-22) и (28-23) оказывается в большинстве случаев воз-.
можным лишь при наличии в грунте структурного сцепления и при
подстановке в эти формулы в виде сцепления с именно структурного сцепле-
ния сс. Напомним, однако, что при деформации смещения стенок структур-
ное сцепление сс в грунте поддерживаемого ею откоса может оказаться на-,
рушенным и тогда активное давление на стенку и в этом случае будет опре-
деляться выражением (28-19).
Рис. 28-7. Подпорная стенка Вуд-Грин (Лондон), разрушив-
шаяся через 54 года после своего возведения:
/ — положение лицевой поверхности стенки в 1948 г.; 2 — платформа;
3 — железнодорожные пути; 4 — забор; 5 — тротуар; 6 — проезжая часть
улиц: 7 — уровень грунтовых вод, замеренный после аварии; 8 — плотная
бурая лондонская глина
Возможное значение в работе подпорных стенок ослабления во времени
связанных с ними глинистых грунтов усматривается из весьма поучитель-
ных примеров разрушений старых подпорных стенок, имевших место в-
последние годы в Лондоне *. Эти стенки выбывали из строя нередко через
несколько десятилетий после своей постройки и относительно удовлетвори-
тельной работы (одна из них изображена на рис. 28-7).
Эти стенки были возведены для поддержания откосов в относительно'
плотных коренных третичных глинах. На рис. 28-8 приведены данные по
уменьшению сцепления в этих глинах во времени. График построен путем
пересчета, принимая коэффициент запаса устойчивости той или иной под-,
порной стенки к моменту ее разрушения равным 1 0сзап =1).
* D. Henkel. Investigations of Two Long-term Failures in London Clay Slo-
pes at Wood Green and Northolt Proc, of the Fourth Intern. Conf, on Soil Meeh, and Fo-
und. Eng. London, 1957.
434.
Описывая деформацию и разрушение в 1941 г. одной из этих стенок
(Кензель-Грин), возведенной в 1912 г.,, А. В. Скемптон отмечает, что за 29
лет ее работы прочность поддерживаемых ею глин уменьшилась на 61%.
Стенка испытывала длительную деформацию смещения, которая перед ава-
рийным годом согласно наблюдениям не превосходила по скорости 6 мм в
год. Перед разрушением смещение стенки достигло 45 см *.
Методы по прогнозу плоской
деформации смещения подпорных
сооружений во времени. Из при-
веденных выше данных явствует
большое значение в работе под-
порных стен их возможной дли-
тельной деформации в результате
проявления ползучести гдинистых
грунтов. Проведенные исследова-
ния в этой области показали до-
пустимость использования для
ориентировочного прогноза описы-
Рис. 28-8. Падение прочности лондонских
третичных глин за счет ослабления во
времени их сцепления (по данным об ава-
риях подпорных стен):
/ — по лабораторным данным; 2 — Вембли-Хил;
3— Уксбридж; 4 — Норсхол; 5 — Вуд-Грин
ваемого явления известных зави-
симостей Ньютона (для пластич-
ных разностей глинистых грун-
тов) и Бингама—Шведова (для
скрытопластичных глинистых по-
род) как достаточно хорошо опи-
сывающих процесс ползучести в рамках условий, имеющих практический
интерес **. Для скрытопластичных глинистых грунтов по Бингаму-Шве-
дову имеем зависимость
Д «т
vz = [D — z\. (28-27)
Здесь Атгл— активная (непогашенная) часть сдвигающего напряжения,
возникающего на горизонтальной площадке, на глубине z
.под подошвой сооружения под воздействием приложенной
на контактной поверхности подошва — грунт равномерно
распределенной касательной нагрузки q;
7] — коэффициент вязкости глинистой породы;
D — мощность активной зоны толщи глинистого грунта, подверга-
ющейся перекосу и участвующей в движении;
vz — скорость смещения (сдвига) на глубине z.
* A. W. S cem р t on. Long-term Stability of Clay Slopes, Inst, of Civ. Eng.
London, 1964. p. p. 93—96.
** H. H. M а с л о в. К вопросу об условиях проявления ползучести глинис-
тых грунтов в основании подпорных сооружений. «Научные, доклады высшей шко-
лы». «Строительство», 1958, № 1.
435
Очевидно, что (см. гл. 26)
A * Xzx= Xzx xzlim’ (28-28).
где tzx — сдвигающее напряжение на горизонтальной площадке на
глубине z;
Tziim— порог ползучести на глубине z.
Величина xzx может быть Определена по зависимости*
[arctg 4- - ^]. (28-29).
Здесь b — половина ширины сооружения, передающего грунту равномерно-
распределенное касательное давление.
Вместе с тем (см. гл. 26)
^Zlirn = [Ро + Тв2] tg фда 4- Ссв (28-30)
Здесь р0—• вертикальное давление на грунт в подошве сооружения;
— объемный вес грунта с учетом в необходимых случаях взвешива-
ния его водой.
В выражении (28-30) по существу вместо р0 должно было бы стоять вер-
тикальное сжимающее нормальное напряжение рг, возникающее на глуби-
не z от нагрузки р0. Напряжение рг в выражении (28-30) принимается по-
стоянным и равным р0 в связи с весьма ограниченной, как правило, мощ-
ностью активной зоны D.
Мощность активной зоны D определяется из условия Ат2Х=0, так как
в этом случае vz = 0 (см. формулу 28-27) и на глубине z не происходит пере-
мещения грунта из-за ползучести. Раскрывая выражение Ат2л. = 0, мы можем
на основе выражения (28-28) написать
Xzx Tzlim, (а)'
а с учетом зависимостей (28-29) и (28-30) переписать его в виде
V- [ arc tg = [р0 + ьг] tg + Q. (б)
Мы имеем основание заменить в этом уравнении z на D и, решив его от-
носительно D, определить мощность активной зоны. Решение этого уравне-
ния достаточно сложно, и величину D проще всего найти графически по-
пересечению линий, построенных по зависимостям (28-29) и (28-30), на гра-
фике вида рис. 28-9.
Коэффициент вязкости глинистого грунта, входящий в выражение
(28-27), по глубине z толщи принимается постоянным. Его размерность —
* См.: Н. Н. Маслов. Локализованный сдвиг. Сборник Свирьстроя, вып^
X, 1934.
436
сек-кПм2. В инженерных расчетах коэффициент вязкости принимается
обычно в сек,- кПсм2. Эта единица вязкости примерно в 106 раз больше фи-
зической единицы вязкости, именуемой пуазом и имеющей размерность в
системе СГС — сек -дин!см2. Как это указывалось уже выше (см. гл. 26),
коэффициент вязкости щ зависит от состава и консистенции глинистого грун-
та и лежит обычно в пределах от а • 1012 до а • 1016 пз, в большинстве случаев,
не выше а-1014 пз.
Продифференцировав выражение (28-27), получим
dv = ^гх dz.
Рис. 28-9. Расчетная схема к опре-
делению активной зоны D по мето-
ду Н. Н. Маслова
(28-31>
Рис. 28-10. Скорость годового смещения
подпорного сооружения в зависимости от по-
луширины его фундамента b (в условиях,
численного примера):
вертикальная нагрузка р0 — 3 к.Г/см2\ сдвигающая)
(70 = 1 к.Г/см2\ объемный вес грунта ув = 1 Т/м3=й,001
кГ/смя\ <PW = М°; сцепление сс = 0; коэффициент вяз-
кости т] = 4-10“8 сек-кГ/см2
Подставив в это выражение входящие в него величины из приведенных,
выше зависимостей (28-28) — (28-30), определим скорость смещения, которая,
равна
о
1 ( 2q С Г х b bz 1 ,
уо =-------) — arctg--------------т-р-г \dz
и 7] I 71 J I & Z 22+& I
D
43?
Проинтегрировав это несложное выражение, мы получим зависимость
для определения скорости смещения сооружения, заложенного на скрыто-
пластичных глинистых грунтах,
t>o= I ЗГС tg ~ (Ро + ¥ D) tg *₽« + Сс]} ‘ (28-33)
Характер зависимости скорости смещения-сдвига сооружения от полу-
ширины b подошвы подпорного сооружения в условиях некоторого числен-
ного примера виден на рис. 28-10.
Из этого примера явствует, что при всех прочих равных условиях ско-
рость смещения сооружения резко возрастает с увеличением размеров соору-
жения (2Ь).
Определение скорости смещения сооружения, в основании которого за-
легают пластичные глины, производится по выражению
, = arctg 4. (28-34)
Эта формула является частным случаем выражения (28-33) и получается
из последнего подстановкой в него значений ср^,— Ои сс=0, что соответству-
ет природе пластичных глинистых грунтов.
Выражения (28-33) и (28-34) для прогноза скорости смещения подпорных
сооружений отвечают относительно редкому случаю, при котором вязкость
грунта остается постоянной во времени. Значительно чаще мы сталкиваем-
ся с постепенным затуханием смещения сооружения, т. е. с затуханием во
времени самого процесса ползучести. Очевидно, что это явление связано с
нарастанием плотности грунта под воздействием веса сооружения в процес-
се его осадки, а также с весьма важными явлениями, свойственными
коллоидным системам (тиксотропией, синерезисом, коллоидным старени-
ем и т. д.).
Эти процессы и явления находят свое отражение в величине коэффициен-
та вязкости т], который в данных условиях с течением времени возрастает.
Так как коэффициент вязкости tj входит в знаменатели формул (28-33) и
(28-34), то процесс смещения сооружений должен со временем несколько за-
медляться. С повышением плотности грунта угол внутреннего трения грун-
та также увеличивается. Наряду с нарастанием структурного сцепления это
обстоятельство ведет к постепенному снижению (вплоть до нуля) активной
части сдвигающего напряжения Дт, что в свою очередь приводит или, вер-
нее, может привести к полному затуханию ползучести, ее скорости v9 и,
следовательно, самого смещения сооружений X по выражению (28-33).
Однако такой исход возможен лишь для скрытопластичных глинистых грун-
тов. Полное затухание ползучести в пластичных глинистых грунтах при
И Сс=0 ВОЗМОЖНО ЛИШЬ При /=оо.
438
В указанных выше условиях возникает необходимость прогноза скорости
и величины возможного смещения сооружений за ряд лет при переменном?
значении коэффициента вязкости глинистых грунтов во времени, т. е.
при ^ =/(/), где t — время.
Как это уже указывалось выше, изменение коэффициента во времени
хорошо описывается зависимостью (26-10)
тг/ = т!и —[tJk —^н]
Здесь 7jH и — соответственно начальные и конечные значения коэффициен-
та вязкости;
— параметр, отражающий свойства грунта.
Как известно, скорость движения v на некоторый момент времени t
измеряется величиной, производной от пути по времени. В данном случае
где X — смещение (сдвиг) сооружения.
Следовательно,
\ = $vdt. (28-35}
Подставив в это выражение значение v0 по формуле (28-33) с подстановкой
в него в свою очередь значения по формуле (26-10), можем написать
х== агс^4~] “ [(Ро + D) +
Произведя интегрирование и определив постоянную интегрирования из;
условия, что при / =0 величина смещения сооружения также равна нулю,
мы получим окончательно следующее выражение для определения величины
возможного смещения-сдвига сооружения, воспринимающего горизонталь-
ную нагрузку
k=D О’агс tg О ~ [(/’°+D)х
: X tg + Сс ]} У- + In ~ е Д . (28-37)
Характер нарастания за1 ряд лет смещения некоторого подпорного соору-
жения при возрастании во времени коэффициента вязкости показан на
рис. 28-11. Для сопоставления на этом графике приведены данные натурных
наблюдений в течение ряда лет за действительным смещением сооружения..
439*
Интересно отметить, что установленное расчетом смещение стенки с начала
ее работы под напором на период начала наблюдений вполне отвечает ее
замеренной общей деформации на это время.
Следует отметить, что описанный метод прогноза деформации смещения
подпорных сооружений во времени не является единственным.
В частности, С. Р. Месчян предложил для грунтов, подчиняющихся
закону Бингама—Шведова, следующую зависимость *:
Рис. 28-11. Смещение во времени фронтальной стенки напорного бассей-
на Фархадской ГЭС. В основании лёссовидные суглинки. Длина стен-
ки 73,1 м\ ширина стенки по основанию 36,2 м\ вертикальная наг-
рузка ро = 3,4 кГ/см?, сдвигающая нагрузка в подошве стенки q =
= 0,44 кГ/см2'.
Л — смещение по данным натурных наблюдений; 2 — смещение по данным расчета (из
материалов С. Е. Могилевской, ВНИИГ)
t
Т (С = • Г Zм — f 9 (г) Г Ч '] dz —
‘ х 7 (j (t) J x 7 dz о (т) J
t 4 t
— f ? [q (Х)]"Д w T) dz + f \q(z} — @(t)] dz. (28-38)
В основу этого выражения положены интегральные уравнения Больц-
мана— Вольтерра в интерпретации Г. Н. Маслова—Н. X. Арутюняна, пред-
ложенной ими для описания ползучести бетона.
В выражении (28-38) ^(/) —полная относительная деформация сдвига;
* С. Р. Ме с ч я и. Некоторые вопросы ползучести глинистых грунтов и
/др. работы ДАН и Изв. АН Арм. ССР, 1954—1965.
440
G(f) — модуль сдвига;
q(ti) — касательные напряжения;
— «мера ползучести»;
/?(</) — «функция напряжений»;
/, Ч/и т2— соответственно текущая координата времени и моменты времени;
; 0 — порог ползучести.
Всходящие в выражение (28-38) величины и зависимости подлежат пред-
варительному экспериментальному определению с выявлением присущих им.
параметров, с принципиальной стороны вскрытых С.Р. Месчяном. Это
обстоятельство в значительной мере осложняет использование выражения
(28-38) в практических целях, в особенности применительно к глинистым^
грунтам с ненарушенной структурой.
Таким образом, в свете данных изучения реологических свойств глинис-
тых грунтов проектирование подпорных стен в рассматриваемых условиях
должно вестись с учетом следующих положений.
I в а р и а н т. При исключении возможности
какого бы то ни было проявления смещения
стены во времени:
а) «щенка общей устойчивости стенки при условии п. б без учета в грун-
тах основания стенки связности но с учетом структурного сцепления сс,.
если оно имеется.
б) определение активного давления Еа с учетом связности грунта и
структурного сцепления сс, если оно имеется;
II вариант. При допущении некоторого сме-
щения сооружения:
а) определение активного давления Еа без учета связности и структур-
ного сцепления сс грунта;
б) оценка общей устойчивости стенки при условии п. а с учетом в грунте
основания стенки связности но без учета структурного сцепления сс;
в) обязательная оценка расчетом возможной интенсивности прояв-
ления деформации ползучести стенки в сопоставлении с допустимой.
Глубокий СДВИГ"
Для решения задачи о степени устойчивости сооружений, воспринимаю-
щих горизонтальную нагрузку, с возможностью ее нарушения по схеме-
«глубокого сдвига» рядом ученых предложены различные методы, базирую-
щиеся на тех или иных теоретических положениях и допущениях. Из них
наибольшую известность получили методы Герсеванова, Лаупмана, Ново-
торцева, Евдокимова (метод ВНИИГа) и Соколовского *. Однако^
* Например: П. Д. Евдокимов. Прочность оснований и устойчивость
гидротехнических сооружений на мягких грунтах. Госэнергоиздат, 1956; В. В. С о-
коловский. Статика сыпучей среды. Изд. 2, Гостехиздат, 1954.
44 Е
наибольшее использование в строительной практике для рассматриваемой
цели по ряду причин получил «метод круглоцилиндрической поверхности
.скольжения» (рис. 28-12).
Как видно из рис. 28-12, круглоцилиндрическая поверхность скольжения
ABDE проходит в толще основания сооружения на некоторой глубине от
поверхности. Под воздействием приложенных к основанию сил соору-
жение вместе с какой-то частью основания перемещается влево по чер-
тежу в результате поворота по часовой стрелке вокруг центра О. По-
ворот осуществляется в виде указанного перемещения некоторого объема
грунта совместно с сооружением, ко-
торые мы будем рассматривать как
монолитное твердое тело. Иначе го-
воря, предполагается, что взаимных
перемещений между отдельными эле-
ментами, входящими в этот объем,
нет. Линия скольжения определяет-
ся при этом дугой круга с радиусом
Я и центром О, проходящей во всех
случаях через точку D подошвы со-
оружения.
Сущность метода заключается в
установлении минимального значе-
ния коэффициента запаса устойчи-
вости 7свр, отвечающего заданным
условиям и нагрузкам. Коэффициент
Рис. 28-12. Расчетная схема по оценке
степени устойчивости сооружения ме-
тодом круглоцилиндрической поверх-
ности скольжения
устойчивости /свр при этом опреде-
ляется как отношение суммы моментов Л4сопр всех пассивных сил или сил
сопротивления к сумме моментов всех активных сдвигающихся сил, дей-
ствующих на призму выпора (А7СДВ), т. е.
= (28-39)
шсдв
Как уже отмечалось, моменты сопротивления и сдвига берутся относи-
тельно центра О дуги скольжения. При определении активных сил учитыва-
ются вес сооружения Р, горизонтальные усилия Я, воспринимаемые соору-
жением и передающиеся его основанию, а также, в общем случае, собствен-
ный вес грунта Wi и W2 в призме с учетом в необходимых случаях взвеши-
вания его водой.
К пассивным силам, учитываемым при определении ^момента Л4сопр, от-
носятся силы трения Т, развивающиеся по поверхности скольжения под
воздействием веса сооружения и грунта, и силы сцепления С, действующие
по поверхности скольжения и определяемые величиной сцепления cz, свойст-
венного той или иной породе, и длиной участка 1; поверхности скольже-
442
ния, секущего данный пласт. Определение величин точек приложения и
линий действия активных сил не встречает затруднений. Силы трения Т,.
препятствующие перемещению призмы выпора и развивающиеся по поверх-
ности скольжения на грани перемещающегося тела и массива грунта, остаю-
щегося неподвижным, определяются для каждого из отдельных блоков, на
которые призма выпора искусственно расчленяется. Это условие вытека-
ет из криволинейного' характера поверхности скольжения.
Сила трения Т\ для каждого из таких блоков определяется по выраже-
нию
Г. = N. tg = Gz cos az tg <р; , (28-40)
где Gz — вес грунта, приходящегося на данный блок;
— нормальная составляющая от веса грунта;
az — угол наклона поверхности скольжения к горизонту по касательной к
ней в центреподошвы блока; угол а численно равен углу, образован-
ному вертикалью, проходящей через центр кривой скольжения, и
радиусом-вектором R, которым описана дуга скольжения, опущен-
ным в точку касания;
®z — угол внутреннего трения породы на данном участке поверхности
скольжения.
В общем случае поверхность или линия скольжения на всем своем протя-
жении может пересекать ряд пластов с различными характеристиками со-
противляемости пород сдвигу. Это условие должно учитываться введением
в расчет при определении сил Т\ в разных блоках соответствующих значе-
ний ср и с.
В соответствии со сказанным выше силы сцепления С, развивающиеся
по дуге скольжения, складываются из отдельных сил, действующих по по-
верхности скольжения в пределах пересечения ею данного пласта со сцеп-
лением cz. Обозначая длину дуги скольжения в пределах данного блока
через /z, мы можем представить общую силу сцепления для всей дуги сколь-
жения в виде
G = Scz/z. (28-41)
При однородном строении толщи величина С может быть определена
уже из более простого выражения
C = cL, (28-42)
где L — полная длина дуги скольжения как сумма E/z.
Таким образом, момент сопротивления Л4сопр может быть представлен в-
следующем виде:
Л4С0Пр = s Gi cos az tg ф; R + E c^R. (28-43)
443.
Здесь в правую часть в качестве сомножителя входит радиус поверх-
ности скольжения /? как плечо действия сил трения 7\ и сцепления С, при-
ложенных по поверхности скольжения относительно центра дуги сколь-
жения О.
Момент активных сил, или Мсдв, определяется при этом из выражения
Л4СЛВ = Ра 4- Hd + W.b, — W2b2. (28-44)
Очень часто поверхность земли при решении таких задач принимается
горизонтальной. В этом случае силы собственного веса призмы грунта
Wi и U72 равны друг другу и симметричны относительно вертикали, прохо-
дящей через точку О. В силу этого их моменты относительно точки О
взаимно уравновешиваются. Тогда для Л4СДВ мы получим более простое
выражение
Мслв=Ра 4- Hd.
(28-45)
В этом случае выражение для определения коэффициента запаса /свр по-
лучает следующий вид:
_ S G(- cos ц tg S Ci l.R
” Ра 4- Hd
(28-46)
В этом и в предыдущих выражениях величины a, d и R являются плеча-
ми действия тех или иных сил относительно центра дуги скольжения О.
Положение центра О и, следовательно, положение и кривизна дуги
скольжения определяются повторными расчетами, исходя из условия по-
лучения наименьшего значения коэффициента запаса /сир, т. е. исходя из
условий наиболее невыгодного их положения.
При использовании выражения (28-46) необходимо вводить в расчет вес
сооружения за вычетом его облегчения за счет вынутой при его заложении
земли по принципу, что «всякое сооружение заглубленное в грунт, теряет
в своем весе столько, сколько весит вытесненная в его объеме порода» (см.
выражение 22-38). В этом случае достигается полная симметричность, необ-
ходимая для использования выражения (28-46). Устойчивость сооружения
считается обеспеченной при коэффициенте запаса квр -1,25-4-1,50 (в зависи-
мости от ответственности сооружения).
Учет реологических свойств глинистых грунтов, в случае необходимости,
при данном расчете выполняется в соответствии с указаниями гл. 26. Следо-
вательно, при недопустимости проявления деформации ползучести связ-
ность глинистых грунтов из общего сцепления cw при расчете должна ис-
ключаться.
Как видим, настоящий расчет является принципиально весьма простым
и убедительным.
Этот метод хорошо подтверждается результатами опытов, что обеспе-
444
чило широкое его применение в тех или иных вариациях в практике строи-
тельства и проектирования.
Описанный выше метод оказывается особенно эффективным при слож-
ном строении толщи основания с различными свойствами и показателями
слагающих ее пластов. Вместе с тем он не свободен от ряда недостатков, ана-
лиз которых выходит за рамки настоящей работы.
ГЛАВА 2»
РАСЧЕТНЫЕ МЕТОДЫ |ПО ОЦЕНКЕ СТЕПЕНИ
УСТОЙЧИВОСТИ ОТКОСОВ И СКЛОНОВ
В строительной практике часто возникает вопрос о методах проектиро-
вания откосов. Обычно это связано с определением в заданных условиях
допустимой крутизны откоса. Известно, что при недостаточном уполажива-
нии откосов возникает опасность их обрушения. Обрушение откоса представ-
ляет собой одну их простейших форм оползневого проявления как слож-
ного геологического процесса.
Обрушение откоса, как и любая другая форма нарушения устойчивости
грунтового массива, связано с преодолением действующими на некоторых
площадках касательными сдвигающими напряжениями сил сопротивления
грунта сдвигу. Касательные напряжения в толще откоса возникают под
воздействием собственного веса грунтовой толщи, а также и дополнитель-
ной нагрузки на откосе и давления фильтрующей через толщу откоса воды.
Сопротивление грунта сдвигу, как и во всех иных случаях, определяется
возникающими в его массиве силами внутреннего трения (фактор tp) и сцеп-
ления (фактор с). При вещественном значении угла внутреннего трения
(ф>0) силы трения в откосе возникают под собственным весом грунтовой
толщи. Очевидно, что сдвиг грунта происходит по площадкам с относитель-
но наибольшим значением отношения касательного напряжения к сопро-
тивляемости сдвигу в данной точке и по наиболее напряженной поверх-
ности. В пределе все эти площадки сливаются в некоторую криволиней-
ную поверхность скольжения, находящую в условиях плоской задачи
отражение в плоскости чертежа в виде некоторой линии скольжения. Точное
очертание линии скольжения, необходимое для решения задачи в целом, в
силу недостаточной изученности самого механизма и природы оползневого
явления до сего времени не установлено.
Далеко еще не до конца изучена и кинематика оползневых процессов.
До сих пор не нашло отражения в точных решениях наблюденное лишь по-
степенное развитие процесса и роль в этом развитии нарастания во времени
напряженного состояния в локальных зонах в толще по мере прогресси-
рующего нарушения прочности грунтового массива.
Природа оползневых явлений, весьма сложных по существу, до настоя-
445
щего времени остается еще далеко не вскрытой. Наиболее сложной задача
оказывается в своей постановке применительно к грунтам, характеризую-
щимся некоторым сцеплением, в частности к глинистым, как наиболее опас-
ным в оползневом отношении. Все эти обстоятельства кладут известное
ограничение возможности широкого практического использования так назы-
ваемых «точных» математических решений. При этом условии в практике про-
ектирования откосов получили широкое распространение различные полу-
эмпирические методы, оправданные практикой их использования. Задача
решается при этом для упрощения как плоская, что не всегда отвечает при-
роде явления.
Несмотря на очевидные недостатки этих методов, их значение в строи-
тельной практике очень велико, так как они дают возможность, хотя и в.
известной мере приближенно, оценить влияние на общую устойчивость от-
косов и склонов тех или иных.процессов и явлений в наиболее объектив-
ной •— количественной форме.
Используя описываемые ниже методы, не следует все же забывать их
несовершенства и лишь вспомогательное значение в общем инженерно-гео-
логическом анализе всей естественно-исторической обстановки в целом.
Метод круглоцилиндрических поверхностей скольжения. Использование
описываемого метода является наиболее оправданным для оценки степени
устойчивости откосов и склонов в однородной толще грунтов. Следователь-
но, этот метод прямым образом связывается с одной из наиболее часто наб-
людаемой в этих условиях формой нарушения устойчивости склонов и от-
косов — обрушением со срезом и вращением (см. гл. 17, рис. 17-10, а). Од-
нако в практике проектирования этот метод очень часто применяется для
оценки возможности развития этого типа оползневого проявления и в отко-
сах, толща которых сложена пластами различных пород. В такой форме опи-
сываемый метод в строительной практике используется наиболее широко.
• Очевидно, что в данном случае нарушение устойчивости откоса должно
быть связано со сдвигом-срезом и перемещением некоторой его части, по-
терявшей устойчивость, по той или иной поверхности скольжения.
Как показывают анализ и практика наблюдений, эта поверхность для
глинистых грунтов имеет во всех случаях криволинейную форму. Вместе с
тем оказывается, что для простейших случаев форма этой поверхности (ли-
нии) скольжения приближается к круговой (дуга круга) с определенными
для каждого частного случая-величиной радиуса R и положением центра
круга О (В. Феллениус, К. Терцаги и др.).
В настоящее время строительная практика располагает целым рядом
методов решения задачи по оценке степени устойчивости откосов, исходя из
указанного вида поверхности скольжения («метод площадей», «метод круга
трения» и т. д.) *. Однако принципиально наиболее простым из них и одно-
* См., например: Н. Н. Маслов. Условия устойчивости склонов и откосов.
446
временно наиболее распространенным в нашей стране является так называ-
емый метод моментов, сущность которого заключается в следующем.
Предполагается, что обрушение откоса может произойти лишь в резуль-
тате вращения оползающего массива вокруг центра О (рис. 29-1). Следова-
тельно, поверхность скольжения ВВ в данном случае будет представлена
дугой некоторого круга с радиусом Р, очерченного из центра О.
Оползающий массив рассматривает-
ся при этом как некоторый твердый
блок, всеми своими точками участвую-
щий в одном общем движении. Такое
предположение является, конечно, до-
статочно грубым допущением.
Оползающий массив находится под
воздействием двух моментов: момента
/Ипр, вращающего массив, и момента
/Иуд, удерживающего массив.
Коэффициент устойчивости откоса
./сзап будет определяться величиной со-
отношения этих моментов, т. е.
(29-1)
Рис. 29-1. Условия оценки степени
устойчивости массива грунта в от-
косе по методу круглоцилиндричес-
кой поверхности скольжения (слу-
чай ср = 0)
Задача может быть задана в двух вариантах в условиях:
а) однородного массива, сложенного пластичными глинистыми породами
-(?=0);
б) массива, сложенного жесткими и скрытопластичными глинами (®=^0)
Случай ф = 0. Обозначим вес оползающего массива через Р. Эта си-
ла приложена в центре тяжести сечения массива А и действует относитель-
но центра вращения О с плечом d. Тогда
MBp = Pd. (29-2)
Очевидно, что для определения Р и d необходимо иметь очертание откоса
и знать величины объемных весов для всех слоев, слагающих толщу откоса.
Одновременно должно быть установлено положение в толще откоса уровня
грунтовых вод для учета в соответствующих случаях взвешивающего влия-
ния и фильтрационного (гидродинамического) давления на массив.
При откосах, сложенных пластичными глинами, когда сопротивляе-
мость сдвигу породы определяется лишь ее связностью Еда, величина удер-
живающего момента /Иуд определяется выражением
7Иуд=ЕдаА/?, (29-3)
где L —длина дуги круга с радиусом Р.
447
Рис. 29-2. Расчетная
схема по оценке степе-
ни устойчивости откоса.
Длина дуги линии
скольжения в пределах
расчетного блока
При этом условии в соответствии с выражением (29-1) величина коэффи-
циента запаса устойчивости кзап определится следующей зависимостью:
Ksa„ = ^5^. (29-4)
Откос считается устойчивым при значениях коэффициента запаса Кдап —
= 1,254-1,50 и ниже.
Как видим, в этом варианте решение задачи оказывается исключительно
простым. Однако на практике оно часто ослож-
няется неопределенностью в положении центра
вращения О (см. далее).
Случай ф =f= 0. Более сложным с точки
зрения трудоемкости расчетов является случай,
когда породы, слагающие откос, характеризуются
величиной угла внутреннего трения, большей нуля.
Однако описываемый метод одновременно является
наиболее универсальным. Благодаря этому в рас-
чете без каких-либо особых принципиальных труд-
ностей может быть учтен и пластовый характер
толщи с различными свойствами слагающих ее
пластов, и разнообразное влияние затапливающих
или фильтрующих через толщу откоса вод, и т. д.
Это обстоятельство, несомненно, является крупным
достоинством описываемого метода. Осложнения
расчетов связаны в основном с необходимостью
учета переменных значений сил трения Т, возни-
кающих при сдвиге по поверхности скольжения в
разных ее точках. Дело в том, что
T = 7Vtg(r§ (29-5)
где N — нормальная составляющая веса Р некоторой части массива откоса
к касательной к поверхности скольжения в данной ее точке, напри-
мер точке А по рис. 29-2.
Очевидно, что
— Pt cos , (29-6)
где az — угол наклона касательной к поверхности скольжения в точке А к
горизонту, численно равный углу с вертикалью радиуса-вектор а
R, проведенного к этой точке (см. рис. 29-1).
Таким образом, в данном случае линия действия нормальной силы N
оказывается совпадающей с самим радиусом-вектором R.
Отметим попутно, что сдвигающая сила в этой точке, возникающая
под весом Pi} выразится следующим простейшим выражением:
Qi —Pt sinaz . (29-7)
448
Очевидно, что Qz может иметь разный знак в нисходящей и восходящей
ветвях кривой скольжения.
Вернемся, однако, к выражению (29-5). Подставив в него значение N
из зависимости (29-6) получим
Л =Pi cosaz tg cpz . (29-8)
Очевидно, что помимо угла а, в разных точках кривой скольжения мо-
жет изменяться и величина Pz. Все эти обстоятельства заставляют находить
величину коэффициента запаса устойчивости откоса в рассматриваемых
условиях как
= (29-9)
Таким образом, мы приходим к необходимости расчленения воображае-
мого оползневого массива на ряд расчетных блоков, для каждого из ко-
торых необходимо определить силы сопротивления сдвигу. Принтом следу-
ет иметь в виду, что общее сопротивление S,-, возникающее по поверхности
скольжения, складывается из сил трения 7\ и сил сцепления Cz. Следо-
вательно,
Si = Ti^Ci (29-10)
и для каждого очередного (i-ro) блока
s. =р. cosax. tgcpz + C.t . (29-11)
Тогда суммарные моменты будут:
^вр = Е Л sinaz /?; (29-12)
Л4уд = Е (P-t cos az tg <pz + С A ) (29-13)
Подставив значения Л1вр и Л4уд из последних выражений в (29-9), после сокращения дроби на R получаем окончательно зависимость
2 (Pi COS Ct; tg + С; I:) (29-14)
Ъ P; Sin aZ
Для случая строго однородной толщи, когда <p=const, c=const и y=const,
это выражение, учитывая зависимости (29-6) и (29-7), может быть переписа-
но в таком виде: + • (29-15)
Очевидно, что при оценке степени устойчивости откоса, в той или иной,
мере погруженного в воду, например берегового склона, вес каждого из
15 Заказ Ks 549 449);
выделенных расчетных блоков должен определяться с учетом взвешивания
его в воде.
При наличии на склоне того или иного сооружения, например береговой
мостовой опоры, ее вес Рсоор и приложенная к опоре горизонтальная сила
^соор (например, от давления на опору земли со стороны подходной насыпи)
должны соответствующим образом учитываться при определении моментов
сопротивления Л4уд и вращения Мвр. В этом случае выражение (29-14) при-
обретает следующий вид:
„ __.2 [(P(-cosaz4-Pconp COS tzcoop) <pf + сг/р R
'Чап
(29-16)
S Z3j sin -р Рcoop d Н- ^соор а
Здесь Рсоор вес сооружения;
а-г— плечо действия веса Р^оор относительно центра О;
450
Gcoop — горизонтальная сила, действующая на сооружение, со своим
[плечом а относительно О;
асоор — Угол наклона касательной к поверхности скольжения в точке
действия Рсоор к горизонту.
При определении моментов РСОор d и <7С00р а необходимо внимательно
учитывать их знаки обычным порядком.
Как видим, и в данном случае расчет по описываемому методу не содер-
жит в себе каких-либо принципиальных трудностей. Однако на практике он
часто осложняется неопределенностью в положении центра вращения О:
Рис. 29-4. К примеру расчета откоса методом круглоцилиндрической
поверхности скольжения
Его координаты, а также величина радиуса 7? определяются так, чтобы от-
разить в расчете наиболее невыгодное положение центра О для определения
наименьшего из возможных для данного откоса значения коэффициента
запаса устойчивости кзап.
Для откосов в однородной толще грунтов существенную помощь в опре-
делении положения центра О может оказать график Ямбу (рис. 29-3). Здесь
координаты центра О вращения (х и у) даются как функции величин х0Н
и у0Н, где Н — высота откоса и х0 и yQ — безразмерные величины, определя-
емые по графику. При пластовом строении толщи положение осложняется.
15* 451.
В этом случае положение центра О устанавливают подбором путем проведе-
ния нескольких расчетов для отыскания наиболее опасных для данного слу-
чая положения и вида поверхности скольжения. Обычно центр О располага-
ется в одной из точек, лежащих над откосом в средней его части. Следует
также отметить, что перемещение центра О в стороны по горизонтали ска-
зывается на величине коэффициента запаса кзап более значительно, чем по
вертикали.
Очень часто при отыскании наиболее невыгодного положения центра О
оказывается полезным следующий прием, который проще показать на при-
мере.
Требуется оценить степень устойчивости откоса по рис. 29-4. Высота от-
коса Н = 9,15 м; угол внутреннего трения грунта, слагающего откос, <р =
=6°; сцепление с = 2 Т/м2-, объемный вес грунта у = 1,92 Т/м3.
Положение первого по очереди в расчете центра вращения Olf а отсюда
и радиуса определяется пересечением двух прямых, проведенных из
точек А и В на откосе соответственно под углами а к поверхности откоса и
Р к горизонту. Величины углов аир принимаются в зависимости от заложе-
ния откоса по данным табл. 23.
Таблица 23
Значение углов а и р для построения центров вращения О
Откос Углы, град
Заложение Угол заложения, град а
1:0,58 60 29 40
1:1 45 28 37
1:1,5 33° 47' 26 35
1:2 и положе 26° 34' и положе 25 35
Далее используется следующее построение. Наносим на чертеже точку
М, лежащую на горизонте ниже бровки откоса на две его высоты (2/7) и на
расстоянии 4,5 Н от наиболее низкой точки откоса А. Соединим точку М
с. центром вращения прямой и продолжаем ее влево от этого центра.
Наиболее вероятное положение центра Оми<, отвечающее кривой сколь-
жения с наименьшим запасом устойчивости, оказывается при этом в одной
из точек на этой прямой вблизи от ее пересечения с вертикалью, проведен-
ной через середину откоса.
Расчет выполняется, например, для ряда таких центров — О2, О3 и
Oi и для каждой из окружностей, отвечающих этим центрам; по выражению
(29-14) или (29-15) определяются величины коэффициентов запаса устойчи-
вости откоса /Сзапи л?зап2> ^запз и ^запл- Определение коэффициентов запаса кзап
452
выполняется по формуле (29-15) или подобным ей. В частности, для определе-
ния в условиях нашего примера значения кзап2, т. е. коэффициента запаса
устойчивости относительно центра О2 с кривой скольжения по дуге круга
длиной Л2=29,5 ж, очерченной радиусом Т?2 —18,6 м, мы будем иметь
_ 245-0,105 + 2,0-29,5 84,2 , Пг
^зап2— 8Jj0 89,0 . - ,U .
В очень многих случаях оползни возникают при значениях коэффициен-
та запаса кзап даже в самой незначительной степени меньше единицы. Для
обеспечения надлежащей степени устойчивости необходимо, чтобы кзап> 1,0.
Теоретически устойчивость откоса или склона будет обеспечена при значе-
ниях кзап лишь несколько превышающих единицу. Величина кзап, естествен-
но, должна возрастать с повышением степени неопределенности задачи.
Поэтому, оперируя откосом неизвестной степени обеспеченной устойчивос-
ти и учитывая неизбежную неточность в установлении сил сопротивления
грунтов сдвигу, целесообразно вводить в расчет значения язап = 1,254-1,30 и
и даже 1,5. Вместе с тем при закреплении действующих оползней, дающих
возможность обратным пересчетом (при кззп = 1,0) уточнить показатели со-
противляемости грунтов сдвигу, оказывается вполне возможным и достаточ-
ным допускать значения /сзап =1,05-4-1,10.
Для случая однородного по строению откоса, не несущего за бровкой
нагрузки (Pc00p = 0; Gcoop =0), задача может быть упрощена, принимая
для всех блоков ccsx^l.O (предложение проф. Р. Р. Чугаева).
В этом случае для приближенного определения коэффициента запаса
может быть использовано выражение, вытекающее из выражений (29-4) и
(29-15), т. е. (см. рис. 29-1)
к,ап = (-Р-4^—(29-17)
Здесь, по-прежнему, Р — вес всего оползающего массива в целом nd —
его плечо относительно центра вращения О.
Несмотря на ряд недостатков, присущих методу круглоцилиндрической
поверхности скольжения, он был признан при рассмотрении вопроса на
V Международном конгрессе по механике грунтов и фундаментостроению
(Париж, 1961г .) наиболее удовлетворительным из существующих для анали-
за условий устойчивости в рассматриваемых случаях.
Однако использование его в таком виде даже для оценки устойчивости
откосов применительно лишь к одной из возможных форм их нарушения
(«обрушение со срезом и вращением») должно выполняться с учетом ряда
условий, отмеченных в предшествующих главах настоящего труда. Прежде
всего отметим, что в ряде случаев (см. ниже гл. 33 и рис. 33-4) повышение
плотности и, следовательно, снижение влажности w грунтов в естественной
толще откоса не следует закону увеличения природной нагрузки от глубины
толщи (рПр=^=тдаг) и она остается нередко здесь даже постоянной (^=const).
453
Очевидно, что при подобных обстоятельствах угол внутреннего трения
Ф и сцепление с грунта обязательно должны вводиться в расчет уже не как
некоторые постоянные величины (по Кулону—Терцаги), а как отвечающие
действительной плотности-влажности грунта в толще склона или откоса,
т. е. <pw и cw, да еще и с учетом их возможного уменьшения от времени за
счет разгрузки толщи. Это же положение сохраняет свое значение при
учете влияния на степень устойчивости толщи нагрузки за бровкой отко-
са (Рсоор) в связи с медленным, в ряде случаев, нарастанием плотности
глинистых грунтов под нагрузкой во времени.
При выполнении расчетов по описываемому методу при определенных
обстоятельствах подлежат особому учету возможное влияние на степень
Рис. 29-5. Фильтрационное давление на оползневое
тело грунтовых вод, разгружающихся на откосе
устойчивости склонов и откосов таких явлений, как фильтрационное давле-
ние подземных вод, ползучесть глинистых грунтов, оплыв разжиженных
песков и т. д. К этим вопросам мы вернемся еще в дальнейшем.
Учет фильтрационного давления подземных
вод. Фильтрационное давление создается во всех случаях движения под-
земных вод. Где есть градиент, где наблюдается уклон поверхности свобод-
ного подземного потока или линии пьезометрического уровня для напорных
вод, там есть падение напора. Падение напора вызывается преодолением
сопротивления течению воды в грунте. Это сопротивление в виде реакции и
создает фильтрационное давление.
Обычно подземный поток дренируется в сторону долины (рис. 29-5),
т. е. он течет в сторону поверхности склона. Ясно, что при этом толща,
слагающая склон, испытывает фильтрационное давление, имеющее одинако-
вое основное направление с оползневым давлением. Следовательно, в данном
случае фильтрационное давление является одним из факторов-побудителей
к развитию оползневых явлений.
Подобная же картина, причем нередко в гораздо более активной форме,
создается в толщах бортов водохранилищ, откосах каналов при резком
454
спаде заполняющих их вод. Как мы увидим из дальнейшего, фильтрацион-
ное давление является весьма существенным фактором в общем соотношении
сил, определяющих нарушение устойчивости склонов или откосов.
По этой причине фильтрационное давление при расчете устойчивости скло-
нов и откосов должно учитываться во всех случаях, когда в толщу откоса
включен водоносный горизонт, разгружающийся в сторону откоса. Этот учет
может быть выполнен исходя из следующих соображений *.
Как мы это уже знаем, фильтрационное давление представляет собой
активную, действующую на грунт объемную силу. По своей величине
удельное фильтрационное давление определяется произведением удельно-
го веса воды Дв на гидравлический градиент в данной точке /. При реше-
нии задачи в тоннах и метрах Дв = 1 Т/м3.
При этом условии при фильтрации через некоторый объем V грунта
1Гф = Дв VLI (29-18)
В условиях плоской задачи
^Ф = Дв<о7, (29-19)
где о) — площадь сечения потока в плоскости чертежа (в частности блока
ниже кривой депрессии).
В толще грунта глубина подземного потока непрерывно меняется. Это
ведет к одновременному изменению как ю, так и /. Поэтому фильтрацион-
ное давление следует определять как
Е№ф = ЕДв^Л> (29-20)
где i — очередной номер блока.
В первом приближении величина гидравлического градиента li может
приравниваться уклону кривой депрессии в данном очередном блоке.
Направление фильтрационного давления определяется линиями токов.
В простейшем приближении можно принять, что в плоскости чертежа
действует по направлению линии, проходящей через половины глубин
потока в каждом сечении.
Отсюда ясно, что фильтрационное давление будет увеличиваться с повы-
шением уровня подземных вод (фактор V) и градиента I. Такое условие
может иметь место прежде всего при естественном или вынужденном увели-
чении дебита подземных вод (их расхода). При дренировании толщи за счет
спада уровня воды в омывающем склон водотоке или водоеме картина ос-
ложняется, так как при этом мы имеем одновременное проявление умень-
шения сечения w и увеличение градиента /.
Как показывают теоретические исследования в области фильтрационно-
го давления**, в условиях круглоцилиндрической поверхности скольжения
* Вопрос был рассмотрен впервые нашим соотечественником проф. Н. П. Пузьг
ревским в его работе «Расчеты фундаментов». Кубуч, 1923.
** См., например, книгу автора «Прикладная механика грунтов».
435
задача учета П?ф в оползневом анализе значительно упрощается. Оказыва-
ется, что момент фильтрационного давления 1Еф относительно центра О
круговой кривой скольжения равен моменту веса G водяного тела в объеме
оползающего массива (рис. 29-6), т. е.
W^d — Ga.
Рис. 29-6. Элементарный случай фильтрацион-
ного давления при круглоцилиндрической по.-
верхности скольжения
(29-21)
При таком положении учет фильтрационного давления в оценке степени
устойчивости склона достигается тем, что активно сдвигающие силы Q в
формулах вида (29-15) опре-
деляются без учета облегче-
ния грунта за счет взвеши-
вания грунтовой водой. Нор-
мальные силы, определяющие
собой сопротивление массива
грунта сдвигу (быстрое тече-
ние процесса уплотнения без
проявления фактора запаз-
дывания фаз), во всех слу-
чаях залегания грунта ниже
уровня воды в пределах этого
объема берутся с учетом
взвешивания.
При этом условии любая
из указанных формул полу-
чит уже иное написание. Так,
например, выражение (29-14)
будет иметь такой вид:
„ __ РВ COS tS <Рг Г; I; ZOQ ОО\
кзап.ф— sina_ . (Zy-ZZf.
Здесь индекс «ф» говорит о том, что коэффициент устойчивости принят
с учетом фильтрационного давления; индекс «в» при Р — вес каждого из
расчетных блоков определяется с учетом взвешивания.
Если откос просто затоплен и через него уже не фильтрует вода (равенст-
во уровней в водоеме и в толще склона), картина меняется. В этом случае^
как всегда ниже уровня воды,, активные сдвигающие силы Q (знаменатель
формул устойчивости) должны определяться с учетом взвешивания. Так,
например, мы будем иметь
___ S Рв COS Ct; tS ср; -|- S С,- I;
Кз ап.в
(29-23)
L Рв sin ctj
Метод горизонтальных сил. Как это следует из данных гл. 17, оползне-
вые явления далеко не во всех случаях находят свое выражение в форме
456
«обрушение со срезом и вращением» с поверхностью скольжения, более или
менее близкой к цилиндрической. Эта поверхность нередко носит сложный
характер, где могут чередоваться и плоскости (применительно к простира-
нию слабых прослоев) и криволинейные поверхности.
К таким формам нарушения устойчивости склонов и откосов относятся
уже известные нам скольжение (рис. 17-10, г), оползень-сдвиг (рис. 17-10, д)
и оползание (рис. 17-10, е).
Характер поверхности скольжения во всех этих случаях определяется
не столько напряженным состоянием толщи, сколько природными условия-
ми и строением толщи. Здесь очень часто оказываются решающими условия
Рис. 29-7. Принцип использования метода «горизонтальных сил»
залегания в толще откоса или склона слабых прослоев с пониженной сопро-
тивляемостью сдвигу («скольжение», «оползень-сдвиг») или форма поверх-
ности подстилающей толщи, по которой происходит смещение оползневых
масс («оползание»).
В условиях плоской задачи эти поверхности скольжения с некоторым
приближением могут быть заменены в плоскости чертежа той или иной сово-
купностью прямых линий—линий скольжения (рис. 29-7).
Для оценки степени устойчивости земляных масс при подобных услови-
ях, как показывает практика его использования, с успехом может быть
применен метод «горизонтальных сил»*. Чтобы уяснить условия использо-
вания этого метода обратимся к рис. 29-8. Выделим на плоском участке
* Метод «горизонтальных сил» детально описан в книгах автора «Инженерная
геология», 1941; «Прикладная механика грунтов», 1949 и «Условия степени устой-
чивости склонов и откосов», 1950—1955.
457
поверхности скольжения некоторый элемент оползающего массива с ве-
сом R. Толща сложена глинистым грунтом, характеризуемым свойственны-
ми ему значениями ср и с.
Рассмотрим условия равновесия выделенного элемента. Нормальная Р
и касательная (сдвигающая)'составляющая Q при угле откоса а определя-
ется из выражений:
(29-24)
Напомним, что коэффициент сопротивления сдвигу Fp связан с углом
сопротивления сдвигу зависимостями (28-13) и (28-14)
Fp = ^p
и
= arc tg Fp.
Р =R cos а
Q =R sin а
Рис. 29-8. Расчетная схема Рис. 29-9. Основной принцип
метода «горизонтальных сил»
Обе эти величины являются зависимыми от нормального напряжения
При наличии такой линейной зависимости коэффициент Fp через <р и с
может быть выражен по формуле (28-15)
^ = tg<p + -^-.
Тогда перемещению~выделенного элемента по наклонной поверхности
будет сопротивляться сила
Sp = PFp. (29-25)
При равновесии
-.а акр
и 3 Sp = Q,_
458
т. е.
7?cosaKp 7?p = 7?sinaKp.
Произведя простейшие преобразования, получим
^ = tg<PP = tgaKp (29-26)
или
Фр “ акр°
Иначе говоря, критический угол откоса акр равен углу сопротивления
сдвигу грунта фр при нормальном напряжении р, отвечающем заданному
условию. Как известно угол сопротивления сдвигу фр сыпучего грунта,
у которого сцепление равно нулю (с=0), равен углу внутреннего трения <р.
Следовательно, критический угол акр откоса у сыпучего грунта равен углу
внутреннего трения грунта, т. е. акр=ср. Обратимся теперь к рис. 29-9.
Здесь N — нормальная к поверхности скольжения составляющая реакции
веса Р некоторого выделенного нами на рис. 29-4 расчетного блока, при ус-
ловии фр—О, т. е. при ср=0 и с=0. Сила Q — также реакция Р, но при на-
личии в грунте на поверхности скольжения трения и сцепления; направле-
ние силы определяется углом трения ср или углом сопротивления сдвигу
при наличии в грунте сцепления (с=£=0).
Сила Н как проекция на горизонтальную ось силы N представляет собой
распор, т. е. давление на вертикальную стенку выделенного по рис. 29-7
нижерасположенного блока при отсутствии в грунте Трения и сцепления.
Сила Г — часть распора Н, воспринимаемая трением и сцеплением; Е —
непогашенная часть распора Н.
Очевидно, что
H = (29-27)
Е = Р tg (а-фр); (29-28)
Т = Н—~Е = Р • [tga—tg(a —фр)1. (29-29)
Выражение (29-28) дает возможность установить (с принципиальной сто^-
роны) степень устойчивости каждого из выделенного на рис. 29-7 блоков.
Очевидно, что при а==фр имеет место равновесное положение (блок <?); при
а>фр (блоки 2 и 4) их собственная устойчивость не обеспечивается и они
давят на нижерасположенные блоки. Наконец, блок 1 (а<фр) обладает явным
запасом устойчивости и служит поддерживающим контрфорсом для
вышерасположенных.
Располагая величинами S(±//z) и 2TZ по блокам всего оползневого скло-
на, мы можем вычислить отвечающий ему коэффициент запаса устойчивости
«з.п = ' (29-30)
4 59
пень устойчивости оползневых
Рис. 29-10. Расчетная схема по
оценке степени устойчивости
оползневого тела при наличии в
контактном слое напорного го-
ризонта
При наличии в откосе фильтрационного потока он вызывает на оползаю-
щие массы грунта дополнительное давление 1Гф. Величина этого давления
1Гф/ в каждом из выделенных блоков определяется по известной уже нам
формуле (29-19), как
Гфг- Ц .
Направление линии действия фильтрационной силы 1^фг в пределах
каждого из блоков может быть принято параллельно кривой депрессии в
данном блоке. Таким образом может быть определен угол рф/, который об-
разует линия действия с горизонтом.
Коэффициент запаса устойчивости кзап.ф оползневого тела в данном
случае при учете фильтрационного давления в соответствии с формулой
(29-30) будет определяться следующим выражением:
S Т-
кзап.ф ” l(±/yj + iViCOS^#t- ’ (29-31)
Особенно большое влияние подземных вод как силового фактора на сте-
масс на склоне, как показала 3. М. Карау-
лова, имеет место при наличии в контакт-
ной зоне с коренными породами напорно-
го водоносного горизонта с напором, спо-
собным изменяться во времени, напри-
мер, по сезонам, в зависимости от ат-
мосферных осадков (рис. 29-10). Этот на-
пор способен оказать на покровную толщу
пород, представленную, например, делю-
вием, взвешивающее противодавление и
тем самым снизить действующие в кон-
тактной зоне силы сопротивления сдвигу
за счет снижения сил трения. Вместе с тем
в этих условиях возникает возможность
дополнительного водонасыщения глинис-
тых грунтов и снижения сопротивляемос-
ти их сдвигу. Сдвигающее же усилие в этом
случае останется без изменения. В конеч-
ном итоге степень устойчивости оползнево-
го тела может оказаться сильно снижен-
ной.
В самом деле, выделим в оползневом теле некоторый блок высотой /ггру
длиной I и шириной а в плоскости, перпендикулярной чертежу (см. рис.
29-10). Вес блока Р, составляющие веса при угле склона а:
нормальная N~P ccsa
касательная Q = Р sin a
(29-32)
460
В контактном слое действует напор hB, который в общем случае может
быть и больше и меньше мощности покровного слоя hrp, т. е. Лв^Лгр.
Сопротивление 7?гр перемещению всего блока по контактной поверхности
АА с учетом взвешивания за счет действующего здесь напора hB будет
7?гр = (^ ccsa —Дв Лв(о) tgq)w+ (29-33)
В этом выражении о> — площадь подошвы блока, равная <n=al.
Запас устойчивости
Кза„ = ^₽- (29-34)
Подставим /?гр и Q в это выражение из выражения (29-32) и (29-33):
„ (Р cosа fx>) Tw Ч~ ы Г29-351
зап— Psina * \ f
Вес блока
Р = Тгрш^гр- (29-36)
Подставив значение Р из формулы (29-36) в (29-35) и разделив числитель
и знаменатель на 7гр<о /ггр, получим
I cosa-Al. tg?w+ ——
„ ' 7гО Лгр' 7гр“гр /0Q
Кзап--------------------------------. (2У-6 /)
Примем для упрощения, вполне оправданного в данном случае, так как
угол оползневого склона а лишь в самых редких случаях превышает 14— 15Q
(откос 1 \т= 1:4), что угр=2,0 Т!м3\ cosa=l,0 и sina=tga. Тогда, учитывая,
что объемный вес воды Дв= 1,0 Т/м\ мы можем написать
В равновесном положении при критическом значении угла акр склона
/сзап = 1,0. Тогда
tgaKf = (l----l-’F-) . (29-39)
r \ z Лгр Urpnrp
В частном случае при отсутствии сцепления в грунте на контактном слое,
т. е. при с=0, мы получим
tgaKp = (l-4- tg<pw. (29-40)
461
и., наконец, при Лв=/ггр
*кР = 4~ (29-41)
Как видим, наличие в контактной зоне напорного горизонта способно
резко снижать степень устойчивости оползневых масс на поверхности сколь-
жения. Критический угол склона при значительном напоре Лв, превосхо-
дящем мощность оползающего слоя, может оказаться весьма незначитель-
ным и движение оползневых масс по склону при значительной их мощности
hcp и малой величине сцепления cw может возникнуть на самых пологих
склонах.
К аналогичным результатам мы придем и при наличии восходящей фильт-
рации через оползающий слой с разрядкой напора hB в контактном горизон-
те А—А до его нулевого значения на поверхности слоя (см. рис. 29-10), а
также при наличии в этом слое потока грунтовых вод.
В этом часто кроется основная причина нарушения устойчивости оползне-
вых склонов в периоды снеготаяния или обильного выпадения атмосферных
осадков, связанных всегда с повышением уровня или напора подзем-
ных вод.
Отсюда становится очевидной необходимость противооползневых меро-
приятий, направленных к снижению уровня грунтовых вод в оползневом
теле или напора водоносного горизонта в контактном слое (отсечные дрена-
жи, прорези, водоотводные канавы и т. д.), даже при отсутствии надежды
достигнуть при этом осушения поверхности скольжения.
Примером решающей роли в развитии оползневых явлений взвешиваю-
щего и фильтрационного давления подземных вод могут служить оползни
в покровной толще на береговом склоне г. Ульяновска.
Оценка прочности основания откосов. Практика строительства сви-
детельствует, что при вскрытии глубоких выемок нередко наблюдается
нарушение устойчивости грунтов в основании самой выемки, сопровож-
дающееся проявлением деформации дна выемок в виде пучения и выпора
грунта. Такие же условия возникают при возведении высоких насыпей на
слабых грунтах, например в основании подходных к мостам высоких насы-
пей, сооруженных на поймах, где могут быть встречены старицы, выпол-
ненные разжиженными илистыми массами и торфом. Выпор слабых грунтов
из-под откосов выемок или насыпей неизбежно приводит к их обрушению
и оползневым явлениям. Таким образом, мы сталкиваемся в подобных
случаях с типичными случаями особой формы.нарушения устойчивости от-
косов, носящей название «скола при просадке». Оценка степени устойчивости
основания откосов применительно к таким условиям наиболее успешно
может быть- выполнена по известному уже нам методу с использованием
понятия об угле наибольшего отклонения 0макс (см. гл. 22).
Как известно, при этом методе равновесное по прочности грунта поло-
жение в некоторой точке основания обеспечивается при условии 0макс~?-
462
Угол наибольшего отклонения наиболее просто определяется через
действующие в данной точке главные напряжения pi и р2 по известному нам
выражению (22-45)
• о _____ Pl ^2
Зшимакс— Р1 р2 4-2 7 (z Лзагл + Лс) ‘
Здесь /тзагл — глубина залегания слабых грунтов под поверхностью
толщи или дном выемки и hc по формуле (22-44)
1 tg т
Решение задачи сводится к проведению уже известным способом в
толще оснований откоса линий равных углов наибольшего отклонения
0макс и в дальнейшем к построению путем сопоставления 0макс с углом
трения грунта <р, областей разрушения в тех зонах толщи, где 0маКс>Ф'
Рис. 29-11. Оценка прочности грунтовой толщи в основании отко-
са методом «угла наибольшего отклонения ©макс»
Пример построения линий 0макс для основания насыпи был уже рассмот-
рен ранее (см. рис. 22-8).
На рис. 29-11 такое построение выполнено для основания откоса доста-
точно широкой выемки, где влияние противоположного борта выемок на
напряженное состояние в толще практически исключается.
Определение величин углов наибольшего отклонения 0макс для той или
463
иной точки толщи основания выполнено в данном случае по формуле (22-45)
при Лзагл = 0 с определением главных напряжений и р2 по формулам*.
Pi = ~ [(ap + xa + zln + z ]/ In3 a2] ; (29-42)
Рг = [(а ? -Н х a + z In — z |An2 + a2 , (29-43)
здесь
в ней
Янас, гДе Янас— высота насыпи и
............ Y — объемный вес грунта
Прочие обозначения явствуют из схемы на рис. 29-12.
При залегании толщи слабого
грунта на некоторой глубине /гзагл
ниже дневной поверхности, вели-
чины высоты насыпи Янас и зало-
жение откоса а определяются по-
строением с проведением откоса до
пересечения его с кровлей слабого
пласта. Очевидно, что при этом
условии
Ррасч == X (ЯнасЧ-А3агл)" (29-44)
При отсутствии в толще осно-
вания зон, где 0макс><р, области
разрушения в ней отсутствуют. В
Ррасч Т
данном случае задача получает
вполне благоприятное разрешение. Однако и наличие такой относительно
слабо развитой зоны не может еще служить поводом к безоговорочному
признанию данного откоса как недостаточно устойчивого. При этом возни-
кает вопрос о допустимой здесь степени развития областей разрушения и
в первую очередь допустимое приближение ?доп области разрушения к
свободной поверхности толщи. Приближенная оценка по величине коэф-
фициента запаса кдоп роли величины наметившегося приближения гобл.разр
к свободной поверхности толщи в степени устойчивости основания может
быть приведена по следующей формуле:
= (29-45)
а ярасч
* В книге автора «Прикладная механика грунтов», стр. 144—150, приводится
ряд формул по определению главных напряжений в основании откосов, для различ-
ных случаев его загружения. В книге автора «Условия устойчивости склонов и от-
косов», стр. 429—434, приводится подробное рассмотрение задачи с использованием
вспомогательных таблиц по построению линий равных 0ма^с для относительно уз-
ких выемок, где приходится учитывать взаимное влияние обоих бортов выемок.
464
Здесь уосн — объемный вес грунта в зоне, перекрывающей область разру-
шения, с учетом в необходимых случаях взвешивания грунта
водой;
Лррасч— величина нагрузки по рис. 29-12, сверх той нагрузки р0,
при которой в заданных условиях задачи развитие областей
разрушения в основании откоса исключается. Следовательно,
Дррасч == Ррасч ' Ро' (29-46)
Описанный метод по оценке возможных условий развития процесса об-
рушения откосов со сколом при просадке является весьма перспективным.
Рис. 29-13. Расчетная схема к методу Fp
- 1—4 пласты различных грунтов
Приближенный метод равнопрочного откоса (метод Fp). В проектной
и инженерно-геологической практике находит все большее использо-
вание описываемый ниже метод Fp, предложенный автором в 1943 г.* Метод
Fp базируется на положении, что степень устойчивости откоса или склона
определяется минимальной величиной коэффициента кзапиз всех его значений
по высоте откоса. Вместе с тем для каждого из горизонтов (рис. 29-13)
величина кзап определяется из условия
Кзал = -^-. (29-47)
где а — угол наклона к горизонту откоса в рассматриваемой точке;
ф — угол сопротивления сдвигу на этом горизонте.
Угол сопротивления сдвигу ф для сыпучих (зернистых) грунтов, лишен-
* Подробное обоснование и изложение метода см. в работах автора: 1. «Приклад-
ная механика грунтов», 1949 стр. 273—285; 2. «Условия устойчивости склонов и отко-
сов», 1950—1955, стр. 406—423.
465
ных сцепления (с = 0), равен углу внутреннего трения грунта, т. е. ==ф.
Тогда формула (29-47) приобретает для таких грунтов следующий вид:
= (29-47'}
Напомним, что угол сопротивления сдвигу ф связан с коэффициен-
том сопротивления сдвигу Fp зависимостями (28-13) и (28-14)
FP = tg 'b
и
фр = arc tg Fp.
Вместе с тем при наличии линейной зависимости sp—f(p) по фор-
муле
^ = tg1> + -ye (28-15)
Для рассматриваемого случая
^=tg(p+-^. (29-48)
При наличии за бровкой откоса равномерно распределенной нагрузки
ро выражение (29-46) приобретает вид
+ (29’49>
Очевидно, что ср и с должны подставляться в приведенные выше формулы
применительно к своим значениям для рассматриваемого пласта и сте-
пени консолидации грунта. ,
Объемный вес у определяется здесь своим средним значением для всей
толщи, перекрывающей данный горизонт, с учетом в необходимых случаях
взвешивания грунта водой.
Равнопрочный откос в состоянии своего предельного равновесия по ме-
тоду Fp определяется условием, что для каждой точки откоса с глубиной
z от свободной поверхности удовлетворяется условие
= V (29-50)
Иными словами, на каждом горизонте z угол наклона откоса к горизон-
ту az численно равен углу сопротивления сдвигу фр2, характерному для
данного горизонта.
Рыхлые пески характеризуются отсутствием в них сцепления (с — 0).
В силу этого в соответствии с выражениями (28-13) и (28-15) для таких пес-
ков мы будем иметь фр = (р. Иначе говоря, угол сопротивления сдвигу ф^
для рыхлых песков, лишенных сцепления, не зависит от нагрузки и чис-
466
ленно равен углу внутреннего трения породы. Отсюда, а также из выра-
жения (29-50) вытекает, что угол откоса а, а также его заложение для рых-
лых песков по всей высоте откоса является постоянным и определяется
значением а=<р0 (угол естественного откоса). Для всех прочих пород,
обладающих сцеплением, профиль равнопрочного откоса имеет криволиней-
ное очертание, более крутое в верхней и более пологое в. нижней части.
Это условие непосредственно вытекает из выражения (29-50).
Построение такого откоса, а равным образом и откоса с наперед задан-
ным значением коэффициента кзап по выражению (29-47) может быть осу-
ществлено графически и аналитически. В последнем случае используется
следующее выражение:
Х = ' 7~tg2l + cln(tg<pp0 + с) — с In [tg ср (у z + р0)+с]}, (29-51)
где х — абсцисса точки на поверхности откоса, отвечающая глубине z рас-
четного горизонта от поверхности толщи.
При отсутствии за бровкой откоса нагрузки (р = 0) выражение (29-51)
упрощается и приобретает такой вид:
Х== 7tg2? ' + —cln (tgcp у z 4- c)]. (29-52)
Для случаев, когда при оценке устойчивости склона или откоса можно
пренебречь силами внутреннего трения в грунте, построение равнопрочного
откоса может быть осуществлено по таким формулам:
при ро4=О
х = ("1Г 2 + Ро ); (29-53)
при р0 = 0
X = z\ (29-54)
Эти формулы могут оказаться полезными для расчета склонов и откосов,
сложенных пластичными глинами, при (р=0.
Аналитический метод построения равнопрочного откоса является, ес-
тественно, более точным, чем графический. Однако при наличии в толще
откоса нескольких пластов с различными механическими характеристика-
ми этот метод становится излишне громоздким и явно уступает графичес-
кому приему.
Сущность графического приема по методу Fp базируется на использова-
нии выражения, вытекающего из зависимости (29-47)
W (29-55)
- "-зап
467
Откос разделяется по высоте на ряд расчетных слоев с подошвой на глу-
бинах г<, г2, zn от поверхности толщи.
При уменьшении мощности этих слоев точность построения, естественно,,
увеличивается. При наличии в толще откоса пластов различных пород со-
ответствующие расчетным слоям горизонты должны совпадать с контактами
этих пластов. Далее для каждого из этих горизонтов с глубиной z-t находят
значение угла сопротивления сдвигу ф по выражению (28-14) через значе-
ние коэффициента сопротивления сдвигу Fр, определяемого по зависимости
(29-48) или (29-49). После этого по выражению (29-55) определяют соответ-
ствующие найденным значениям углов сопротивления сдвигу фрг величины
углов откоса а, задавшись тем или иным коэффициентом запаса устойчивости
язап. В равновесном положении кзап =1. В этом случае имеет место соблю-
дение равенства (29-50).
Построение откоса начинается с. нижней его точки для гмакс=Я. Здесь
откладывается отвечающий данному горизонту угол az. Продолжаем опре-
деляющую его линию до пересечения со следующим горизонтом на глубине
zz. В точке пересечения откладываем, снова угол аь соответствующий этому
горизонту. Находим новое пересечение определяющей его линий с очеред-
ным менее глубоко расположенным горизонтом и т. д., вплоть до выхода
откоса на поверхность. Полученные указанным выше построением точки
пересечения расчетных горизонтов с линиями, определяющими углы отко-
сов ар соединяем плавной кривой. На этом построение равнопрочного от-
коса графическим методом заканчивается.
Отметим,что при отсутствии на поверхности толщи за бровкой откоса
нагрузки, т. е. при ро=О, и при наличии в грунте даже самого незначитель-
ного сцепления с угол откоса а на поверхности толщи при 2=0 становится
равным 90°. Это положение вытекает из выражений (28-14) и (29-48).
Условия учета реологических свойств глинистых грунтов. Во многих
случаях нарушение устойчивости склонов и откосов находит свое выраже-
ние при отсутствии каких-либо видимых изменений в величине сил, воздей-
ствующих на толщу склона или откоса, а также факторов, приводящих к
снижению сопротивляемости, сдвигу слагающих ее грунтов. Подобные явле-
ния часто связываются с реологическими процессами, определяющими дли-
тельную медленную (со скоростью смещения, измеряемой сантиметрами или
миллиметрами в год) деформацию склонов и откосов {ползучесть), а также
падение прочности глинистых грунтов в связи с их длительной деформаци-
ей (вопросы длительной прочности). Часто оказывается, что сам оползень
представляет собой лишь бурное проявление процесса, предварительно
подготовлявшегося в течение длительного времени. Об этом, в частности,
свидетельствуют нередко наблюдаемые за бровкой склона или откоса тре-
щины закола, которые появляются еще задолго до развития самого ополз-
ня. В этом плане можно было бы привести много примеров и в том числе
известные оползни в Одессе, где для развития очередного оползня требует-
468
ся в среднем восемь лет, грандиозный оползень 1956 г. в Македонии, захва-
тивший 20 млн. м3 породы и подготовлявшийся в течение нескольких десят-
ков лет* а также ряд оползневых явлений в Англии, опубликованных
А. Скемптоном**. к
Весьма интересные данные по этому вопросу приводит в своем докладе
К- Петерсон***. Он сообщает о целом ряде оползания откосов земляных со-
оружений, выполненных из глинистых грунтов, при начальных расчетных
значениях коэффициентов запаса 1,5 — 1,7 через 6 месяцев — 4 года после
их возведения.
Рис. 29-14. Спарадические оползни в
связи с медленным отходом от опол-
зневого уступа продуктов его обру-
шения
Рис. 29-15. Расчетная схема по
оценке скорости перемещения по
склону оползневых масс
Напомним, что падение прочности глинистых грунтов во времени воз-
никает при наличии в этих глинах невосстановимого структурного сцепле-
ния сс и относительной деформации т сдвига, достаточной, по величине для
нарушения жестких связей, обусловливающих это сцепление. Вместе с тем
напомним, что деформация ползучести находит свое выражение, когда для
восприятия действующих на грунт касательных (сдвигающих) напряжений
одних имеющихся в грунте сил внутреннего трения и структурного сцепле-
ния оказывается недостаточно и когда для этого требуется вовлечение в
работу водно-коллоидной связности грунта, определяющей вязкость
грунта (см. критерий ползучести в,гл. 26).
* Л. Ш у к л и е. Доклад на V Международном конгрессе по механике грунтов
и фундаментостроению, 1961 (Париж); Suklie and Vidmar S. A landslide
due to long-term creep.
** A. W. S c e m p t о n. Long-Term Stability of Clay Slopes. Inst: of Civ.
End. London, 1964.
*** К Peterson. Proc. III. Ini. Conf. SMEFE Vol. Ill, Zurich, 1953.
469
Подобные условия очень часто имеют место в действительности, что
и обусловливает внезапное развитие оползней на объектах, длительное время,
казалось бы, пребывавших в стабильном состоянии.
Такая обстановка может способствовать развитию любой формы оползне-
вых проявлений («обрушение со срезом и вращением», «скол при просадке»
ит. д.)\ где они связываются в той или иной степени с глинистыми породами,
характеризующимися наличием в них жестких структурных связей сс. Из
приведенных выше данных явствует, какое значение может иметь дефор-
мация ползучести в толще откосов и склонов в развитии оползневых про-
цессов. Особое значение приобретают описываемые деформации в развитии
оползневых явлений на оползневом уступе в связи с медленным, но непре-
рывным отходом оползневых масс по уже уположенной оползнем поверх-
ности склона от самого оползневого уступа, находящегося в перенапряжен-
ном состоянии (район Золотого Берега, Черноморское побережье Кавказа,
оползни в районе Одессы и т. д.). Эти условия характеризуются рис. 29-14.
Примерная оценка скорости перемещения вниз по склону оползневых
масс в достаточно вязкой консистенции (т;=а- 10п~13 пз) может быть вы-
полнена по следующей расчетной схеме (рис. 29-15).
Активной непогашенной частью сдвигающего напряжения будет Дт ==
=т — (ptg(pw+cc) (см. гл. 26 и выражение 26-7). Здесь на любом горизон-
те Н
= (Н — у) sin а; (29-56)
p = yw (Н—у) cos а. (29-57)
В соответствии с выражением (28-31) скорость смещения оползневых масс
на горизонте у может быть выражена в дифференциальной форме следующей
зависимостью:
dvy=-~ (Yw (# — У) Sin а — (Н — у) cosatg(pw + гс]} dy. (29-58)
Это выражение после интегрирования с учетом условия,что в подошве
оползающего слоя и=0, получит для общего случая такой вид:
[НУ~ (sin а — cos а tg фда) — -^-"у. (29-59)
Скорость пластичного течения на поверхности v0 определяется из урав-
нения (29-59) при условии у=Н и для случая сс^=0 приобретает следующее
выражение:
В(, = te. [н (Я _ D) _ (g~p>a] (sin а - cos а tg Y (И - D). (29-60)
Здесь и0 — скорость смещения оползневого тела по его поверхности;
470
D — «мертвая зона» вблизи от поверхности, где скорость в связи с
наличием в грунте структурного сцепления сс сохраняется постоянной.
Мощность мертвой зоны D определяется из условия, что на глубине D
касательные напряжения т по выражению (29-56) при условии D~H—у
будут равны порогу ползучести Tlim=ptgcpw4~cc со значением р по выражению
(29-57).
Отсюда мощность слоя D определится как
D = — ♦ —;-------- , (29-61)
sin а — cos a tg tpw 4 1
В частном случае^ при отсутствии в оползающем грунте структурного
сцепления (сс=0) выражение принимает более простой вид
. ...... п0 = Я2 (sin a — cosatgcpj. [(29-62)
Из этого выражения явствует, какое большое значение в скорости сме-
щения о0 по склону оползневых масс имеет их мощность. Очевидно также,
что при с =0 движение прекращается, если
sin а = cos а tg (29-63)
или^ - .
a = cpw, (29-64)
другими словами при равенстве угла, склона а углу внутреннего трения
грунта при его плотности-влажности w.
Это обстоятельство объясняет, между прочим, часто наблюдаемое медлен-
ное смещение сползающих масс на очень пологих склонах. Известен случай
длительного медленного смещения опор одного внеклассового моста (46 см
за 50 лет его работы при падении в 6° подстилающего его пласта полутвер-
дых неокомовых глин)*.
Последнее условие отчетливо выражает вполне логичное положение,
что на некотором склоне с заданным углом его заложения а степень устой-
чивости земляных глинистых масс снижается при их дополнительном об-
воднении и наоборот. Отсюда явствует принципиальная возможность борь-
бы с подобными оползневыми проявлениями путем осушения оползневого
тела теми или иными средствами.
Другой случай касается оползания, часто мощной пачки коренных по-
род, по некоторому, более слабому глинистому слою. При этом условии ско-
* А. А. Луг а. О горизонтальном смещении быков большого моста. Труды
Всесоюзного НИИ транспортного строительства, 1963. вып. 47, стр. 57—74.
471
рость вязкого смещения п0 покровной пачки, исходя из тех же условий, оп-
ределяется выражением
v0 = [sina— (cosatg<pw Ч- d. (29-65)
Здесь d — толщина слабого глинистого слоя.
Из этого выражения следует, что при сс=0 движение покровной пачки
пород возникает при а>фда.
В ряде случаев в связи с нарастающей Деформацией толщи возникает
ослабление структурного сцепления сс пород во времени. При этом в усло-
виях возрастания активной части сдвигающего напряжения (см. формулу
21-26):
Д т = т — rlim = т — (р tg cpw + Сс)
может возникнуть так называемое «проскальзывание» , которое находит
свое выражение в резком ускорении движения и может вызывать оползание
или даже обрушение склона и откоса.
Вместе с тем оползневое движение в связи с повышением во времени ко-
эффициента вязкости может замедляться и практически полностью за-
гаснуть (см. гл. 26).
При значительном увлажнении оползневых масс с переходом их в те-
куче-пластическую и тем более в текучую консистенцию их перемещение,
которое в данном случае будет носить характер вязкого течения, будет ид^
ти со скоростью на поверхности толщи
(29-66)
Здесь [1 « 3/8;
у — объемный вес оползневой массы;
— коэффициент вязкости;
Н — мощность оползающей толщи;
1Х — гидравлический градиент в сечении х по длине грязевого потока,
где определяется скорость вязкого течения vx.
При сопоставлении выражений (29-66) и (29-62) выявляется их принци-
пиальное сходство.
Как видим, в скорости перемещения оползневых масс по склону, помимо
прочих факторов, самое существенное значение имеет мощность Н ополза-
ющей толщи.
Условия обеспечения динамической устойчивости затопленных песча-
ных откосов. Как это уже указывалось в гл. 27, песчаные грунты в затоп-
ленном состоянии, будучи подвергнуты динамическому воздействию, способ-
ны резко снижать свою прочность и устойчивость вплоть до перехода пол-
ностью в разжиженное состояние. Причина тому — появление в песчанбй
472
массе при определенных условиях ее сотрясения динамического напора hz.
Этот напор способен в той или иной мере уменьшать действующее в грунте
нормальное напряжение р от собственного веса песка и тем самым снижать
сопротивляемость грунта сдвигу по известному выражению (27-42)
$лин = (тг —Дв hz) tgcp.
Как показывает строительная практика, это явление во многих случаях
оказывается особенно опасным для затопленных откосов земляных соору-
жений, выполненных из песка (откосы земляных плотин и дамб, транспорт-
Рис. 29-16. Последствия нарушения устойчивости затопленного
песчаного откоса с бетонным покрытием
ные насыпи на пойменных участках, спланированные береговые откосы в
речных и морских портах и т. д.) (рис. 29-16). Этому обстоятельству способ-
ствует много причин, из которых главнейшими являются часто — недоста-
точная плотность и низкое качество по своим динамическим параметрам ис-
пользуемых для сооружений песков.
Не следует забывать, что грунт в толще откосов находится в напряжен-
ном состоянии и тем в большей степени, чем ближе откос к его предельной
естественной крутизне. При этом условии всякое снижение сопротивляе-
мости песка сдвигу в толще откоса может привести к нарушению его устой-
чивости. Особенно часто подобные условия возникают при воздействии на
473
откосы, даже защищенные бетонным покрытием, волнения. Всегда в этом
отношении опасны сейсмические явления.
Возможные условия нарушения устойчивости песчаной толщи видны на
рис. 29-17.
Исходя из рассмотрения условий устойчивости на откосе выделенного
блока грунта можно написать следующее выражение для определения коэф-
фициента запаса устойчивости /сзап :
(29-67)
Рис. 29-17. Расчетная схема для оцен-
ки динамической устойчивости затоп-
ленного песчаного откоса
__ (Pcosa — 4B/lz)tg<p
^зап ~ Р sin а
Здесь Р — вес выделенного блока;
о) — площадь основания блока;
а — угол наклона откоса к горизонту.
Вес выделенного блока Р в под-
водном состоянии при площади его
основания <о и высоте z' определя-
ется из выражения
Р = Тв/о>. (29-68)
Принимая в пределах допустимой
точности tga = si па и учитывая, что
7В = 1 Г/л3 и Дв = 1 Т/м3, мы можем
представить выражение (29-67) в сле-
дующем виде:
Лзап = (1 " V~) tgl • (29-69)
Как показывают опытные данные и анализ решения задачи, величина
динамического н'апора h'z для этого выражения может в пределах допусти-
мой точности определяться по приведенным выше формулам (27-37) и (27-39).
h
Обращаем внимание, что в выражении (29-69) величина ________£_ отвечает
z'
значению среднего градиента 7ср. Тогда выражение (29-65) может быть пере-
писано в следующем виде:
».Ю=[1-АР](29-70)
Как показывает анализ выражений (29-69) и (29-70), наиболее тяжелые
условия работы песка создаются в верхней средней трети откоса по его вы-
соте, где градиент 7ср достигает своего максимального значения. Наряду
с этим очевидно, что при отсутствии динамического воздействия на откос или
при его интенсивности по ускорению а, удовлетворяющей неравенству
а<акр, W «кр — критическое ускорение, градиент 7ср =?О. В этом случае мы
474
приходим к хорошо известной формуле по оценке степени устойчивости от-
косов из рыхлых сыпучих материалов (29-47')
Иногда динамическая причина нарушения устойчивости затопленных
песчаных откосов выступает вполне отчетливо (взрыв, сотрясение от транс-
порта, удар волн и т. д.), однако часто она завуалирована другими явления-
ми-и факторами. Нередко разжиженные пески в откосах являются сопро-
вождающим фактором, например при нарушении устойчивости откоса за
счет сдвига по подстилающему слабому глинистому пласту. С таким случаем
строители столкнулись при возведении плотин Форт Пэк (США). Подобный
же случай отмечен и в нашей практике при обрушении берегового откоса с
заложением 1:2 и 1:5 соответственно в верхней и нижней частях откоса в
одном из речных портов (см. гл. 17).
Для облегчения решения задачи очень часто в запас прочности при про-
ектировании песчаных сооружений или сооружений, возводимых на затоплен-
ных песчаных основаниях в динамических условиях, исходят из следующего
положения.
Принимается, что песок в сооружении или в его основании должен быть
настолько плотным или находиться под такой нагрузкой, которая исключа-
ла бы возможность его перехода в динамически возбужденное состояние с
ослаблением сопротивляемости сдвигу (sAHH=sCT). Иначе говоря, выдвига-
ется условие необходимости
акр &расч> (29-71)
где арасч — расчетное ускорение, отвечающее условиям работы проектиру-
емого сооружения с известным запасом (коэффициент увеличе-
ния обычно 1,5—2,0).
Очевидно, что величина критического ускорения акр должна определять-
ся и в этом случае экспериментально при заданном динамическом режиме и
с проведением опытов с песками, намеченными к использованию, примени-
тельно к предполагаемой их плотности в теле сооружения и ожидаемой на-
грузке. Экспериментальное изучение динамических параметров песков для
земляных сооружений имеет большое значение при сопоставлении песков
из различных карьеров и при выявлении необходимой плотности их укладки
в дело.
Значение полевых наблюдений. Мы имели уже случай отметить труд-
ность полноценного прогноза степени устойчивости природных склонов и
даже откосов. Особые трудности при этом возникают при необходимости про-
ведения оползневых расчетов для установления конструктивных форм и
размеров противооползневых сооружений на оползневых объектах, даже
475
небольших. Ошибки в назначении величин показателей сооружения сдвигу
грунтов, слагающих толщу склонов и откосов, могут привести в этих усло-
виях при осуществлении мероприятий к совершенно нежелательным по-
следствиям. Отсюда возникает настоятельная необходимость использовать
все возможные средства для уточнения этих показателей. В этом анализе в
ряде случаев могут оказать существенную помощь так называемые «обрат-
ные пересчеты». Сущность этого метода заключается в следующем.
Выбираются в натуре по возможности два участка с различной высотой
откоса (для нахождения двух неизвестных —ср и с). Желательно, чтобы от-
косы или склоны на этих участках находились как можно ближе к состоя-
нию предельного равновесия (zc3an ~ 1,0). При наличии на участках оползне-
вых явлений такое требование удовлетворяется само собой. В противном
случае, допуская, что данный участок находится в состоянии предельного
равновесия (кзап =1,0), мы при определении характеристики грунта будем
делать ошибку в запасе прочности и тем более значительную, чем дальше наш
откос или склон будет находиться от этого состояния. В данном анали-
зе весьма полезным может оказаться классификация склонов и откосов, по
которой они подразделяются:
1) на склоны сноса (результат воздействия атмосферных и
геологических агентов, приложенных сверху);
2) на склоны обрушения ив том числе в первую очередь
склоны подмыва (результат эрозии и абразии);
3) н а склоны накопления (продуктов выветривания, на-
пример, в осыпях и оползневых массах).
Очевидно, что склоны обрушения вообще и склоны подмыва (обычно
правые берега наших рек) в^часгносги, а также склоны накопления будут
наиболее близко приближаться к состоянию предельного равновесия (кзап~
1,0) ис этой стороны являются наиболее-подходящими для нашего анали-
за. Склоны сноса, обладающие часто очень большими запасами устойчивос-
ти, в этом отношении оказываются совершенно непригодными. Далее при
проведении нашего анализа необходимо выделить наиболее возможную для
данных природных условий форму нарушения устойчивости склона или от-
коса и выбрать наиболее отвечающий этой форме метод расчета. После это-
го, задавшись кзап =1,0, путем подбора и проведения расчетов находим зна-
чения интересующих нас показателей. Полученные данные явятся ценным
контролем и дополнением к уже имеющимся характеристикам грунтов,
установленным путем лабораторных опытов.
Этот метод является особенно полезным для установления расчетных
характеристик применительно к скалистым породам.
При установлении этих показателей как лабораторными, так и полевы-
ми опытами на сдвиг опытных монэлитов в относительно большом масштабе
очень часто в оценке устойчивости горных массивов преувеличивается роль
структурного сцепления сс. При этом часто преуменьшается отрицательная
476
роль трещиноватости и масштаба явления и неправильно трактуется роль
структурного сцепления сс, которое в данном случае является, как и в
песчаных грунтах, лишь сцеплением-зацеплением, способным при свободе
деформации сходить на нет (см. рис. 8-4).
При этих условиях роль натурных наблюдений за характером откосов
в интересующих нас скальных массивах особенно, велика. Обратимся для
примера к рис. 29-18. В данном случае долина носит характер ущелья.
Рис. 29-18. Характер бортов эрозионной долины в скаль-
ных породах
Следовательно, при отсутствии на склонах продуктов обрушения они долж-
ны быть отнесены к «склонам подмыва», т. е. обладать кзап~ 1,0. Далее, в
соответствии с выводами «мзтода рашоустойчивого откоса» (метода Л'р) скло-
ны в породах, обладающих сцеплением, должны носить криволинейный и
вогнутый характер с наибольшей крутизной в их верхней части и быть наи-
более пологими в подошве. В данном случае борта долины носят достаточно
ясно выраженный линейный характер. Эго обстоятельство свидетельствует
о том, что в данных породах и в данных условиях структурное сцепление
отсутствует (сс=0). Следовательно, крутизна склонов в данном случае
при кза11^1,0 определяется лишь силами трения, т. е. по формуле (29-47'):
к — — 1 о
К3ап— tga —
или ср=а. (29-72)
Здесь а — угол откоса, в условиях нашего примера равный 45е.
477
Отсюда по формуле (29-72) мы можем прийти к выводу о том, что для
данных пород в данной толще угол внутреннего трения равен 45°, т. е. ф =
Оценка возможных условий выноса из толщи и оплывания на откосе
песков. Подобные вопросы возникают при оценке возможного нарушения
устойчивости откосов и склонов в связи с их сколом при просадке (см. рис.
17-10, в) иоплывом (см. рис. 17-10, ж). Очевидно, что для перемещения песка,
в толще песчаного пласта или на поверхности откоса он должен перейти
предварительно в разжижен-
ное или во всяком случае во
взвешенное до такой степени
состояние, чтобы поток под-
земных вод с тем или иным
градиентом (/ потока) оказал-
ся способным захватить его в
своем движении.
Выше уже рассматрива-
лись причины, способные
обеспечить подобные усло-
вия, и мы не будем здесь ос-
Рис. 29-19. Расчетная схема:
1 — кривая депрессии подземного потока
танавливаться на этом вопросе. Отметим лишь, что для развития этого
процесса во времени необходимо, чтобы потерявшие свою устойчивость и
переместившиеся массы песка могли отходить из места своего накопления
и таким образом освобождать^ пространство для вновь поступающих.
При расположении таких склонов и откосов ниже уровня водоемов или
водотоков уносу этих масс песка могут способствовать волнение и течение
поверхностных вод. При свободной (в сухом положении) поверхности отко-
сов такой отход песчаных масс может иметь место лишь при условии пере-
мещения их вниз по откосу.
Представляется важным количественно оценить эти условия.
Выделим на откосе свободно лежащий на нем некоторый элемент А
грунта (рис. 29-19). На откосе градиент 7расч =tgat должен превосходить гра-
диент потока /,-= Вместе с тем 7расч в данном случае является макси-
мальным из возможных. Следовательно, элемент грунта А находится на от-
косе в наименее устойчивом положении и, следовательно, рассматриваемый
ниже случай является предельным.
Для нашего выделенного на откосе элемента грунта мы имеем
N = Р cos а;
Q = Psina. (29-73)
При объеме выделенного элемента V и объемном весе грунта во взве-
шенном состоянии ув, вес элемента
Р = Тв7. (29-74)
478
Таким образом, сила трения R, препятствующая скольжению нашего
элемента вниз по откосу, будет
R = N tg<p = yB V cos a tg ср. (29-75)
Вместе с тем фильтрационное давление Й7ф как движущая сила будет
согласно формуле (29-18)
Гф = ДвУ/расч
или
№ф = Лв V tga. (29-76)
Общая сдвигающая наш элемент сила
Т = (2 + Гф. (29-77)
Или учитывая выражения (29-73) и (29-74)
Т — ув Vsin а V Дв tga. (29-78)
При некотором коэффициенте запаса устойчивости кзап должно иметь
место соблюдение условия
^„ = 4 (29-79)
или, подставляя в формулу (29-79) значения R по формуле (29-75) и 7 по
формуле (29-78), а также произведя сокращение полученной дроби на ув1/,
будем иметь
COS a tg ср
гезап д
Sina + —- tga
IB
Принимая ув = Дв = 1 Т/м3 и считая возможным для обычных откосов
приравнять в этом выражении значения sin a = tg а, получим
<29-81)
Следовательно, критический в этом отношении угол откоса (кзап — 1,0),
когда уже возможно перемещение грунта по откосу, будет иметь место при
а = 1/2ф. (29-82)
Обычно для песчаных грунтов угол трения ср близок к 30°. Следователь-
но, при угле заложения откоса a > 15° или при его крутизне 1 : m =
= 1 : 3,75 снос по откосу вынесенного из толщи или оплывающего на от-
косе песка оказывается уже возможным.
(29-80)
ЧАСТЬ IX
ОСАДКА И ДЕФОРМАЦИЯ СООРУЖЕНИЙ
ГЛАВА 3
РОЛЬ ОСАДКИ СООРУЖЕНИЙ В ИХ РАБОТЕ
' ;
Как отмечалось выше, устойчивость основания любого сооружения
во избежание возможных тяжелых последствий должна быть обеспечена,
во всех случаях. Однако, как показывает строительная практика, выпол-
нение одного этого требования все же не обеспечивает во всех случаях не-
обходимую прочность сооружений и нормальные условия их эксплуатации.
Нарушение этих обязательных нормальных условий эксплуатации соору-
жений связано также с их осадкой за счет деформации слабых разностей
грунтов в толще основания под воздействием приложенных к нему сил.
Особенно часто подобная обстановка возникает при наличии в толще ос-
нования сооружений таких грунтов, как торф, илистые отложения, увлаж-
ненные лёсс и лёссовидные породы, характеризующиеся высокой пористо-
стью, и всякие относительно мало уплотненные глинистые породы. Осадка
сооружений по ряду причин (неоднородность строения основания и свойств
слагающих его грунтов, неравномерность нагрузки и распределения на-
пряжений в грунтовой толще и т. д.) всегда в той или иной мере неравно-
мерна. Во многих случаях осадка сооружений оказывается значительной
и измеряется десятками сантиметров и даже, что очень редко, метрами.
При таких условиях возникает опасность: а) значительной осадки,
наклона и перекоса отдельно стоящих элементов сооружений и б) наруше-
ния прочности сооружений с появлением в нем трещин и разрывов в ре-
зультате скола и изгиба.
Вопрос о значительном перекосе и наклоне оказывается наиболее важ-
ным в отношении таких сооружений, как, например, высокие мостовые
опоры, маяки, створные знаки, всякого рода башни, дымовые трубы и ъ д.
На рис. 30-1 в качестве одного из возможных примеров влияния осадки
на сооружение приводится общий вид сильно деформированного здания
на М. Охте (Ленинград), поперечный крен которого достигал 0,037, а от-
клонение продольной стены от вертикали в уровне карниза составляло
66 см. Причина крена — залегание в основании здания слоя погребенного
торфа неравномерной мощности.’
В рассматриваемом отношении может представить определенный ин-
терес осадка Мозырского моста* (1922 г.). Мост состоял из трех пролетов
* Н. Г. Голов. Деформация ферм Мозырского моста. Изд. Мостовой восста
йовительной организации НКПС, 1925.
480
по 107 м, покоившихся на высоких каменных ойорах, й деревянной эста-
кады, длиной около 970 м и высотой 21 м.
Промежуточные опоры, пройдя мощную толщу слабых илистых отло-
жений, были обоснованы на кессонах, опущенных до глубины 20—22 м.
Сразу же после окончания работ по возведению моста (1907 г.) были отме-
чены прогрессирующая осадка и крен опор. В результате неравномерной
Рис. 30-1. Крен здания в связи с
наличием в основании слоя торфа
(из материалов А. Т. Иовчука)
и весьма значительной осад-
ки опор, достигшей к 1922 г.
1 м, их крена с отклонением
верха до 1,25 м мост пришел
в полное расстройство и его
пришлось полностью пере-
строить.
Рис. 30-2. Осадка и нак-
лон отдельно стоящей мос-
товой опоры
Затруднения, связанные со значительной осадкой и перекосом высоких
мостовых опор (рис. 30-2), могут возникнуть вследствие нарушения нор-
мальных условий опирания на них мостовых ферм. Неравномерная осад-
ка, перекос и наклон мостовых опор при жесткой их связи с пролетным
строением (рамные конструкции, бесЩарнирные своды и т. д.) неизбежно
приводят к, увеличению воздействующих на конструкцию изгибающих
моментов и поперечных сил и, как следствие этого, к возможному значи-
тельному ее перенапряжению. Особенно тяжелым оказывается положение
при неравномерной осадке опор многопролетных неразрезных конструк-
ций. Указанное положение иллюстрируется примером рис. 30-3.
16 Заказ № 549
481
Как известно, стрела прогиба в балке, свободно лежащей на двух опо-
рах с пролетом Л, определяется следующей зависимостью:
5 qLi
• 384’ EI
(30-1>
При этом условии прогиб железобетонной балки сечением 60x75 см
с пролетом L = 21 = 14,0 м при нагрузке q = 3 Т/м достигнет/ = 3,3 см.
'Следовательно, при относительной осадке промежуточной опоры В 3,3 см
Рис. 30-3. Влияние просадки проме-
жуточной опоры двухпролетной не-
разрезной балки на величину и
знак изгибающего момента
и больше наша двухпролетная нераз-
резная балка с пролетами I ~ 7 м
превращается в простую разрезную на
двух опорах с пролетом L = 2 7= 14 м.
При этом условии по оси опоры В
будет действовать момент М"в величиной
Мв = + q~ = q~ = 4- 74Г-.И
8 2
(30-2)
вместо действовавшего здесь ранее мо-
мента
—= — 18,3 Т-м. (30-3)
Таким образом, при осадке опоры В
относительно опор А и С на 3,3 см нор-
мальные напряжения от изгиба не толь-
ко возрастают в балке более чем в 4
раза, но и меняют свой знак. Для же-
лезобетонной балки последнее обстоя-
тельство в связи с обычным характером
ее армирования может оказаться осо-
бенно опасным.
В дополнение следует также отметить, что во многих случаях причиной
значительных осадок и наклонов мостовых устоев в сторону берега оказы-
вается вес земляных масс в высоких подходных насыпях. Это обстоятель-
ство сыграло известную роль в деформации и сильном аварийном повреж-
дении моста*, показанного на рис. 30-4.
По этой же причине, в связи со взаимным влиянием, происходит наклон
навстречу друг другу рядом стоящих башен, что было отмечено еще Лео-
нардо да Винчи. Однако это положение, как следствие закона распреде-
* В. И. Рыбаков. Осадки фундаментов и сооружений. Стройиздат, 1937.
482
ления напряжений в толще и наложения зон напряжений под смежными
частями сооружения, остается справедливым лишь при значительной
относительной мощности сжимаемого слоя.
В результате недоучета высокой сжимаемости грунта и в первую оче-
редь слоя погребенного торфа, а также нецелесообразного для данных ус-
ловий применения свайного основания мост получил весьма большую осад-
ку (около 2 м). Эта осадка привела к тяжелому повреждению пролетной
части.
Рис. 30-4. Пример значительной осадки опор и аварийной деформации моста
Мост в данном случае представлял трехшарнирную арку, т. е. мало
чувствительную к осадкам конструкцию. Нет сомнения, что, если бы этот
мост был выполнен в виде двухшарнирной или бесшарнирной арки, полу-
ченная осадка повела бы к его полному разрушению.
В таком же состоянии при значительной неравномерности осадки
и перекосе опор оказываются различные промышленные объекты и
другие инженерные сооружения, связанные в своих несущих конструк-
циях со статически неопределимыми неразрезными системами (многопро-
летные балки, многопролетные и многоэтажные рамы, бесшарнирные и
двухшарнирные арки и т. д.).
В этих условиях осадки сооружений, например опор мостов, наклады-
вают некоторые ограничения на конструкции пролетных строений: нераз-
резные балочные пролетные строения противопоказаны, если возможна
значительная неравномерная осадка опор, или в противном случае при-
ходится применять поддомкрачиваемые опорные части для компенсации
просадки (например, старый мост через р. Сейм близ Курска на дороге
Москва—Харьков, просуществоваший до Великой Отечественной войны).
В этом отношении интересным примером может служить следующий
случай, сообщенный автору инж. А. П. Алексеевым.
16*
483
Рис. 30-5. Характер деформации фунда-
ментной плиты при равномерной нагрузке
Рис. 30-6. Характер рас-
пределения трещин в
монолитной конструк-
ции при осадке ее в
центральной части (по
Г. П. Чеботареву).
Пунктиром показано на-
чальное положение
При строительстве Мацестинского виадука, близ Сочи, осадка одной
из опор на свайном основании была обнаружена во время строительства,
когда нагрузка на грунт достигла примерно 50% расчетной. В связи с этим
на недостроенной опоре был возведен деревянный ростверк, загруженный
камнем и песком общим весом примерно 5000 Т, что создало нагрузку на
грунт, несколько превышающую
расчетную. От дополнительной
нагрузки осадка опоры сначала
резко возросла, а потом начала
медленно затухать. В связи с
осадкой опоры пролетное строе-
ние виадука было переконструи-
ровано и двухшарнирные арки
заменены трехшарнирными, до-
пускающими возможную нерав-
номерность осадки до 15 см. К счастью, осадка
опор была равномерной, без перекосов. В связи
с затуханием осадки опор систематические наб-
людения за опорами прекращены несколько лет
назад.
В ряде случаев в не менее сложном положении
при неравномерной осадке оказываются всякого
рода монолитные конструкции, например здания
из каменной кладки. Здесь следует отметить, что
даже при строго однородном основании сооруже-
ний осадка их всегда бывает неравномерной в свя-
зи в особыми условиями распределения напря-
жений в грунтовой толще, рассматриваемыми
далее. При этом наибольшая осадка некоторого
загруженного на поверхности участка совпадает, как правило, с его цен-
тральной частью. В этом случае даже при строго равномерной нагрузке
отмечается прогиб фундаментных частей сооружений с выпуклостью вниз
(рис. 30-5). При недостаточной прочности самой монолитной конструкции
это обстоятельство ведет к появлению в ней трещин (рис. 30-6).
В реальных условиях из-за обычной неоднородности основания, не-
равномерности нагрузки и неравнопрочности самого сооружения картина
осложняется и сооружение в рассматриваемых условиях поражается слож-
ной системой трещин (рис. 30-7).
Строительной практикой отмечено одно весьма важное обстоятельство.
Обозначим через Atjoc неравномерность осадки сооружения. При этом
Д г = (т? —т] ). (30-4)
юс \ *ос. макс <ос. мин/ 4 /
Здесь т]ос.мак. и ,мин — соответственно максимальная и минимальная
осадки данного сооружения.
484
Как оказывается, неравномерность осадки Дт%с возрастает с увеличением
самой осадки сооружения и в обычных условиях может достигать 50% от
величины средней т]ос.ср осадки сооружения, т. е.
Л = 0,5 ср = 0,5 I . (30-5)
Таким образом, при средней осадке сооружения т]ос.ср = 5 см ее неравно-
мерность А^ос - 2,5 см. Вместе с тем при осадке ^ос.ср = 40 см сооружение
может испытывать неравномерность осадки Д^ос = 20 см. Ясно, что усло-
вия работы сооружения в последнем случае окажутся гораздо более слож-
ными.
Интересно отметить, что согласно документам, действующим в Англии*,
осадка зданий считается допустимой при возведении их на глинистых грун-
тах — 7 см при ее неравномерности 4 см и на песчаных грунтах — соот-
ветственно 5 и 3 см при стреле провеса не более 1 : 150.
В наших условиях предельные величины де-
формации и средних осадок для зданий и соо-
ружений различного типа регламентируются
СНиП П-Б. 1-62 (табл. 10 и 11). Интересно от-
метить, что эти предельные величины в зависи-
мости от конструктивных особенностей и типа
сооружений лежат в пределах от 8 до 30 см.
Однако, как показывает строительная практика
и исследования ряда ученых (см., например,
работы А. Т. Иовчука, ЛИСИ), и эти предель-
ные по СНиП—62 деформации зданий могут
быть безопасно для них превзойдены при над-
лежащем учете местных инженерно-геологичес-
ких условий и конструкций сооружений.
Стоит также отметить, что в наших равнин-
ных условиях при возведении сооружений не на
•скалистых породах такие осадки отнюдь не
являются исключением, и если мы встречаемся
Рис. 30-7. Трещины в зда-
нии при просадке его угла
(по К- Зарубе и В. Мен-
делю)
•относительно редко с тяжелыми поражениями
сооружений в результате их неравномерной
осадки, то объяснение этому надо искать в не-
которой пластичности бетона и растворов, на
которых кладется кладка.
Существенным в этом оказывается и то, что обычно наиболее интенсив-
ная осадка сооружения совпадает со строительным периодом, когда все
дефекты могут быть относительно легко ликвидированы.
* Scempton A. W. и Г). Н. Mac-Donald. The allowable settlements „of buildings.
Proc. Inst Civ. Eng. London, 1956. Part. Ill, 5 p. 727.
485
При оценке возможных последствий значительных и неравномерных
осадок сооружений не следует упускать из внимания вопросы необходимости
обеспечения:
а) нормальных условий работы механизмов, связанных с сооружением
(например, подъемников);
б) заданных габаритов (например, габаритов под мостами для пропуска
судов);
в) архитектурных форм и уровней.
Последнее требование на первый взгляд является мало существенным.
Однако появление в сооружении всякого рода искривлений, перекосов и
трещин, обезображивающих внешний вид сооружения, хотя и не опасных
для него с точки зрения прочности и устойчивости, вообще недопустимо.
Тем более недопустимо, когда приходится специальными мероприятиями
поддерживать, например, уровень проезжей части отдельных пролетов
мостов или когда подоконники окон или пороги входов в зданиях оказы-
ваются ниже уровня земли.
В строительной практике отмечены многие случаи очень большой осад-
ки сооружений. В этом отношении небезынтересными примерами являются
осадка старого фонтана, построенного в 1810 г. в Стамбуле, достигшая
более 180 см (доклад Пернициоглу на VМеждународном конгрессе по меха-
нике грунтов), и осадка некоторых зданий в Шанхае, достигшая 150 —
200 см*.
Строитель обязан уметь своевременно предусматривать все изменения,
которые могут возникнуть в основании под нагрузкой от сооружения, так
как только в этом случае он может бороться с этими явлениями и парализо-
вать их вредные последствия. Тем более, что работы по ремонту, усилению
и восстановлению сооружений, поврежденных в результате деформации
основания, в большинстве случаев бывают очень трудоемкими, сложными
и дорогостоящими.
В заключение необходимо отметить, что в общем случае в осадке соору-
жения помимо уплотнения грунтов существенное значение может иметь
и деформация, связанная с необратимыми сдвигами грунта в его основании
в связи с пластическими и реологическими (ползучесть) явлениями в гли-
нистых грунтах.
В городах и старых поселениях часто наблюдаются невысокие вытяну-
тые в плане здания, сильно просевшие и деформировавшиеся. Такие явле-
ния обычно возникают у зданий, возведенных много лет назад, нередко
при невысоких нагрузках на грунт в подошве их фундаментов. Во многих
случаях подобные осадки могут найти объяснение в описанных выше яв-
лениях, связанных с ползучестью глинистых грунтов в их основании.
* Ю. М. А бе л е в. Осадки высотного здания, возведенного на слабых водона-
сыщенных глинистых грунтах. Материалы Всесоюзного совещания. Таллин, 1965,
стр. 282—284.
486
Далеко не редко подобного рода явления возникают при возведении высо-
ких насыпей на илистых болотистых грунтах. Об одном таком случае со-
общается в докладе Мера и Натаржана на V конгрессе по механике грун-
тов (1961, Париж). Описывается случай осадки относительно невысокой
насыпи (4 м), возведенной на слое илистого грунта мощностью 6 м. За
4 года осадка насыпи в связи с отдавливанием этого грунта из-под насыпи
достигла 120 см. Новая досыпка насыпи давала новые ее осадки.
Вопрос об осадке сооружений, как результат пластических явлений и
ползучести, еще очень слабо разработан. В современной постановке во-
проса считается лишь необходимым путем применения соответствующих
мероприятий исключить возможность проявления этих процессов. При
этом условии вопрос об осадке сооружений целиком ставится в зависимость
от процесса уплотнения грунтов в основании сооружения под его весом.
В таком аспекте задача и рассматривается в настоящем изложении.
Очевидно, и в этом случае, т. е. при насильственном уплотнении породы
до некоторого критического состояния ее плотности, в деформации сжатия
грунта будет превалировать ее необратимая часть.
В заключение отметим, что при высоком давлении в подошве сооруже-
ния на скальные грунты дз их основании также оказывается возможным
ожидать их осадку, в первую очередь за счет закрытия имеющихся в скаль-
ной толще трещин. Отметим, что осадка Братской плотины при давлении
на подстилающие ее диабазы до 25—40 кПсм? дала осадку порядка 50 мм.
ГЛАВА 31
ФОРМУЛЫ ПО ОЦЕНКЕ ДЕФОРМАЦИИ УПЛОТНЕНИЯ
РАСЧЕТНОГО СЛОЯ
Исходные положения. Задача по прогнозу деформации и осадки соору-
жения есть в основном задача по прогнозу деформации грунтовой толщи
сооружения и осадки ее поверхности под воздействием приложенных к ней
нагрузок.
В рассматриваемых условиях задача связывается с деформацией тол-
щи в результате уплотнения слагающих ее пластов грунта под влиянием
нормальных сжимающих напряжений рг, рх и ру, возникающих в толще
при приложении к ней нагрузки. Само собой разумеется, что значения pz,
рх и ру не остаются по глубине толщи постоянными и изменяются с изме-
нением координат рассматриваемой точки (г, х, у).
Оставляя в стороне вопрос о неоднородности грунтовой толщи по глу-
бине, обусловливаемой ее генетическими и литологическими особенностя-
ми, мы должны признать несомненное в большинстве случаев увеличение
модуля Ер сжатия грунта с глубиной, связанное со все увеличивающейся
плотностью породы, как следствием увеличения с глубиной веса толщи
487
Расчетная схема для
Рис. 31-1. __________ _______ _
прогноза деформации уплотнения
толщи основания сооружения
грунтов, перекрывающих данный горизонт (рпр). Это обстоятельство не-
избежно должно было найти свое отражение в конечной величине осадки
поверхности, так как в данном случае глубинные горизонты не имеют уже
существенного значения в общей величине сжатия грунта под нагрузкой
от сооружения. С учетом этого при решении задачи об осадке сооружения
мы должны рассматривать модуль общей деформации Ер грунтовой толщи
зависящим не только от величины нормальных напряжений рг, рх и
но также и от глубины z. Это иллюст-
рируется рис. 31-1, на котором в схема-
тической форме нанесены эпюры изме-
нения по глубине z вертикального сжи-
мающего напряжения р2 и модуля об-
щей деформации Ер. Закон изменения
Ер = ЛС?) принят при этом условно по
некоторой кривой.
Таким образом, уплотнение грунта в
основании сооружения на разных глу-
бинах z будет протекать в, различных
условиях в связи: а) с изменением на-
пряжений р2, рх и ру; б) с нарастанием
по глубине модуля Е за счет увеличе-
ния по глубине плотности грунта и,
что является весьма принципиально
важным, в) с зависимостью модуля Ерот
самих величин нормальных напряже-
ний рг, рх и ру.
Следует также отметить, что в об-
щем возможном случае анизотропии
толщи значения модулей деформации Е
осям Z, X и У.
окажутся различными также по
Отсюда возникает необходимость решения нашей задачи в интегральной
форме с определением осадки поверхности грунтовой толщи путем сумми-
рования частных элементарных осадок элементарных слоев грунта с
мощностью dz. При этом значения pz, рх и ру, а также модулей Epz, Ерхи
Еру, отвечающих напряжениям pz, рх и р , в пределах выделенного эле-
ментарного слоя принимаются постоянными. В первую очередь наметим
пути решения задачи как одномерной, т. е. игнорируя влияние нормаль-
ных напряжений рх и ру на величину деформации выделенного слоя. В
этом случае относительная деформация epz слоя по оси Z будет зависеть
лишь от величины одного вертикального сжимающего напряжения pz и
определится по выражению
р — Х*
pz р
L-'pZ
(31-1)
488
Вместе с тем для элементарного слоя мощностью z
е =-^а (31-2)
Тогда из выражения (31-1), подставив в него значение ер2из зависимости
(31 -2), мы получим
<Ь?ос = 1^- dz. (31-3)
npZ
Следовательно, полная осадка загруженной поверхности грунтовой
толщи т]ос определится как
’loC=(A<iz. (31-4)
J СР2
О
где pz и Eoz — являются переменными и функционально связанными с
глубиной z.
Таким образом, решение задачи о деформации толщи, осадке ее по-
верхности и вместе с тем осадке самого сооружения в рассматриваемых
условиях связано с необходимостью установления функциональных за-
висимостей
Pz = fl (2) И Epz = h (Z).
Даже в простейшем случае (одномерная задача) решение задачи в этом
виде встречает почти непреодолимые математические трудности. Помимо
этого, зависимость модуля Epz от глубины z в реальных условиях оказыва-
ется весьма сложной, исключающей возможность представления ее в про-
стой математической форме. Это обусловливается часто наблюдаемым за-
леганием в основании сооружения пластов разных грунтов с различными
характеристиками (объемный вес, плотность) и разной сжимаемостью. Боль-
шое осложнение в эту картину вносят также условия обводнения толщи с
его влиянием на величину природной нагрузки рпр. При этих условиях
приходится отказываться от решения задачи в общем виде с интегрирова-
нием выражения (31-4) и решать ее методом суммирования. В этом случае
полная осадка поверхности толщи tjoc будет определяться из выражения
D
7?OC = S 7}ос. х* (31-5)
о
где
= (31-6)
npz
489
В двух последних выражениях ^оё4 — осадка уплотнения некоторого
частного расчетного слоя с мощностью /zz, выделенного в толще основания
исходя из обеспечения условия, столь малого изменения в пределах этого-
слоя значений pz и Epz, что они могут считаться для него постоянными.
Предел суммирования D в частном случае (малая мощность обжимае-
мого слоя) отвечает его мощности. В более общем случае (значительная
мощность обжимаемого слоя) предел D определяется глубиной г, увеличе-
ние которой в расчете не приводит к практическому увеличению осадки
сооружения за счет слабой сжимаемости глубинных пластов грунта и малых
величин действующих здесь нормальных напряжений.
Подставляя значение 77OC.Z из выражения (31-6). в зависимость (31-5),
получим следующую формулу для определения осадки сооружения т?ос
в условиях одномерной задачи;
d
(31-7)
О рг
При решении задачи с использованием выражения (ЗП7) самого по себе
весьма простого, возникают значительные трудности в определении рас-
четных значений модуля сжатия Epz с учетом влияния на него возрастающей
по глубине плотности грунта и самой величины нормального напряжения
Рг-
Кроме того, строительная практика в большинстве случаев не удовлет-
воряется постановкой задачи как, одномерной и выдвигает требование
решения как плоской (двухмерной), так и пространственной (трехмерной).
Помимо этого, в определенных условиях необходимо считаться с анизо-
тропией толщи. Такая необходимость возникает во всех случаях пересла-
ивания относительно жестких пород, слагающих толщу основания соору-
жения, пластами слабых пород, характеризующихся вУг&окой сжимаемо-
стью.
Приводимый ниже метод решения задачи по оценке деформации уплот-
нения-элементарного слоя отвечает этим общим требованиям.
Формульные зависимости. В основу излагаемого метода положено
определение относительной деформации ez по оси Z под действием прило-
женных к грунту нормальных напряжений в условиях трехосного напря-
женного состояния, равной относительной деформации грунта по той же
оси под напряжением рг за вычетом расширения, вызываемого действием
напряжения* по оси X и У. В решениях подобных задач модуль общей
деформации Ер часто принимается постоянным, и в этих случаях относи-
* См., например: Н. Н. Маслов. Прикладная механика грунтов, 1949, стр.
174—180.
490
тельная деформация ez определяется расчетом по формулам типа (31-1)
через напряжения рг, рх и ру.
В описываемом более общем методе модуль Ер рассматривается как
переменная величина, и решение задачи по определению частной осадки
идет только через относительные деформации epz, ерхи еру, возникающие
по оси Z под воздействием нормальных напряжений pz, рх и ру. Относи-
тельные деформации берутся непосредственно из данных компрессионного
опыта с выражением сжимаемости грунта через модуль осадки. При этом
методе величина относительной деформации элементарного слоя устанав-
ливается для данной нагрузки не расчетом по формулам вида е = -|-, а
непосредственно по компрессионной кривой. Тем
самым в расчетах автоматически достигается
учет криволинейности зависимости деформации
грунта от нагрузки как однойо из важнейших
его свойств.
В соответствии с данными строительной
механики относительная деформация сжатия
>7
е2 некоторого тела по оси Z в условиях трех-
мерной задачи под совокупным воздействием
системы сжимающих нормальных напряжений
pz, рх и ру, действующих по соответствующим
координатным осям, может быть найдена из
следующего выражения:
<' = \-epz — v &рх + ^v)L (31-8)
Рис. 31- 2. Расчетная схема
по прогнозу деформации
уплотнения грунтовой тол-
щи в условиях трехмер-
ной задачи
где epz, ерхи еру — отвечают значениям относительной деформации некото-
рого тела по осям Z, X и Y под непосредствен-
ным. и изолированным воздействием соответственно
направленных нормальных напряжений pz, рх и ру
(рис. 31-2).
Обозначение v отвечает коэффициенту Пуассона, который принимается
в нашей задаче постоянным, т. е. не зависящим ни от величины напряже-
ний pz, рх и ру, ни от направления их действия*.
Для наших дальнейших рассуждений примем модуль «свободно-
го» (неограниченного) сжатия Е (аналог модуля упругости или модуля
Юнга)
* Обычно коэффициент Пуассона изображается через р. Обозначение этого ко-
эффициента через у подчеркивает его иную для грунтов по сравнению с твердыми
телами природу.
491
также не зависящим ни от величины, ни от направления действия нагруз-
ки. Тогда в соответствии с законом Гука мы можем написать:
(31-9)
Подставив значения ерг, ерх и еру в выражение (31-8), получим
+ (зыо)
Вынесем модуль сжатия Е за скобки. Тогда мы будем иметь хорошо из-
вестное в строительной механике выражение
«;=4- (Рл- + Р,)]- (31-11)
Возможность непосредственного использования этого выражения для
прогноза осадок сооружений или их деформаций в связи с осадкой исклю-
чается, так как модуль сжатия Е, введенный в это выражение, будучи не
зависящим ни от величин нормальных напряжений р2, рх и ру, ни от их
направленности, ни в какой степени не отражает действительных свойств
грунтов. Если для изотропной толщи грунтов мы имеем возможность во мно-
гих случаях принимать величину модуля сжатия Е по всем координатным
осям при одних и тех же значениях нагрузок постоянной, то не считаться
с его ^зависимостью от величин самих нагрузок — это значит игнориро-
вать одно из важнейших природных свойств грунтов. Вспомним, что комп-
рессионная характеристика грунтов во всех случаях носит криволинейный
характер, что, между прочим, находит отражение и в самом ее наименова-
нии — «компрессионная кривая».
Принимая модуль сжатия во всех случаях постоянным,^аже для не-
которого выделенного слоя с определенной плотностью, мы делаем прин-
ципиальную и во многих случаях немаловажную по своей величине ошибку.
Применительно к задаче прогноза осадок и деформации сооружений ука-
занное обстоятельство заставляет нас принять для общего случая модуль
сжатия Ер зависящим как от величины нормальных напряжений pz, р^
и ру, так и от направленности их действия.
Обозначим модули сжатия Е, отвечающие величинам и направлениям
тех или иных нормальных напряжений р2, рх и ру, символами Epz, Еру
и Ерх. Тогда выражение (31-10) примет следующий вид:
+/Ч1- (31-12)
\^рх ^РУ
492
Очевидно, что в данном случае выносить модуль сжатия Е за скобки
выражения уже оказывается невозможным.
Принимая модули сжатия Ер2, Ерх и Еру переменными, мы можем на-
писать:
(31-13)
Произведя соответствующую подстановку из этих выражений в зави-
симость (31-12), мы вернемся снова к выражению (31-8)
^2 \.^pZ (f'pX &ру) ] •
Используя это выражение в рассматриваемых далее целях, мы не должны
забывать, что оно написано для условия переменных значений Ер2, Ерх и
Еру’
Рассматриваемый метод прогноза осадок и деформаций сооружений
базируется на выражении (31-8) и непосредственном использовании комп-
рессионной кривой данного грунта, выраженной в виде зависимости отно-
сительной деформации ер2, ерх и еру (при анизотропном строении толщи) от
нормальных напряжений р2, рх и р
При непосредственном использовании в рассматриваемых целях комп-
рессионной кривой описываемого вида автоматически достигается учет
зависимости модуля сжатия Ер от нагрузок р, что как отмечалось выше,
весьма важно.
Помимо этого, здесь исключается и необходимость ничем не оправдан-
ных пересчетов от получаемых в компрессионных опытах величин дефор-
мации образцов под нагрузкой на значения коэффициентов пористости sили,
в крайнем случае, на значения модулей сжатия Е.
Осадка т]ос.г, связанная с уплотнением грунта в пределах рассматри-
ваемого слоя, может быть выражена следующим элементарным выраже-
нием:
(31-14}
Учитывая это выражение, мы можем переписать зависимость (31-8) в
следующем виде:
%с. z=hi l6pz — ^(^px-hepy)]- (31-15)
493
При подстановке в это выражение для определения осадки tj”'z
элементарного слоя значений epz, ерх и еру, непосредственно полученных
из компрессионного опыта, мы делаем некоторую ошибку. Эта ошибка про-
истекает из того, что для расчета деформации толщи грунтов мы используем
данные компрессионного опыта, проводимого в условиях невозможности
бокового расширения образца грунта, в условиях же реальной работы
грунта в основании сооружения возможность некоторого расширения вы-
деленного объема грунта не исключена, хотя и ограничивается действую-
щими на грунт силами собственного веса перекрывающей толщи грунта
и горизонтальными напряжениями pz и ру, возникающими в толще от веса
самого сооружения.
Как показывает анализ этого вопроса, игнорируя указанную необхо-
димость условий эксперимента и реальных условий работы грунта, мы
для обычных случаев (плотные и средней плотности грунты) допускаем
некоторую ошибку в сторону преуменьшения расчетных осадок сооружения
против возможных при учете указанного фактора в пределах от 10 до 20%.
При этом условии ошибка, связанная с недоучетом в рекомендуемой фор-
муле (31-15) условий компрессионного опыта, как правило, обычно не вы-
ходит за пределы точности всего расчета по прогнозу предстоящей осадки
сооружения. Однако при необходимости условия проведения опыта могут
быть и в данном случае легко учтены, о чем будет сказано, дальше.
Вернемся еще раз к зависимости (31-15) для прогноза осадок в условиях
трехмерного напряженного состояния
^ос. z~^i \.epz ' v (%Х £ру)1 •
Как известно, коэффициент Пуассона v во всех случаях должен быть
ниже 0,5 или в крайнем случае равен этой величине (жидкость). Для грун-
тов, как правило, величина коэффициента Пуассона за редким исключением
(весьма слабые глинистые грунты) ниже 0,3. Вместе с тем известно, что
горизонтальные напряжения рх и ру в толще основания сооружения, как
правило, быстро падают с глубиной и во всяком случае значительно быст-
рее, чем вертикальные нормальные напряжения pz. Это особенно отчетливо
выражается по оси загруженного участка, где обычно осадка достигает
наибольшей величины. Относительно малые величины коэффициента v и
горизонтальных нормальных напряжений рх и ру приводят к тому, что вто-
рой, заключенный в квадратные скобки, член выражения (31-16) имеет
небольшое влияние на величину осадки Помимо этого, исключе-
ние из выражения (31-15) члена, содержащего v, рх и ру, приврдит к неко-
торому повышению расчетной величины осадки что в известной
степени компенсирует влияние недоучета в рекомендуемой форме условий
проведения компрессионного опыта.
Все это приводит к тому, что при прогнозах осадок сооружений очень
494
часто возможно и целесообразно принимать в выражении (31-15) величину
коэффициента Пуассона v = 0. В этом случае формула примет вид
^ос. z = hi epz° (31-16)
Следует отметить, что формула (31-16) вполне, с указанным выше от-
ступлением, отвечает случаю одноосного напряженного состояния.
При расчете осадки Voc.z за счет уплотнения некоторого элементар-
ного слоя грунта мощностью Л довольно часто используется формула, пред-
ложенная в свое время проф. Н.М. Герсевановым. В этой формуле величина
осадки ос.2 за счет уплотнения слоя грунта,, мощностью ht при повышении
нагрузки от pi и до р2 (в условиях одномерной задачи) связана с учетом
уменьшения коэффициента пористости от его начальной величины Sj
до е2, соответствующей нагрузке р2. Формула Н. М. Герсеванова имеет
следующий вид:
^С.г = -^~А (Pt-Pl), (31'17)
где а — коэффициент уплотнения;
А —некоторый параметр А = е£ ф- ар; в связи с обычной малостью
члена ар согласно рекомендации Герсеванова параметр/! принима-
ется равным начальной величине коэффициента пористости еР
Подставляя в формулу (31-17) указанное выше значение А и учитывая
известную зависимость коэффициента уплотнения а от значений коэффи-
циента пористости Ei и е2, а также от нагрузок р15 р2, мы получим
г = Й, (УГР1) . (31-18)
Выполнив необходимое сокращение, мы будем иметь
^,2 = ^ (31-19)
Известно, что относительная деформация ер связана с коэффициентами
пористости Si и е2, отвечающими нагрузкам pi и р2, зависимостью (9-26),.
в данном случае приобретающей следующий вид:
^ = 744- <31'20>
Перепишем выражение (31-19) с учетом зависимости (31-20). Тогда мы
будем иметь
'rloc.z = hi epz. (31-21)
495
Как видим, выражение (31-21), удовлетворяющее требованиям его ав-
тора Н. М. Герсеванова, полностью совпадает с зависимостью (31-16),
полученной непосредственно без каких-либо окольных определений и
расчетов.
Вернемся, однако, к вопросу о поправке к выражению (31-15) для учета
условий компрессионного опыта (образец в кольце).
Как показывает анализ вопроса, связь между напряжением и деформа-
цией, выраженную через модуль сжатия Е, в случае свободного расширения
имеет следующий вид
__1_. О + У) (1 — 2.)
z Е (1—.)
Отсюда следует, что при выражении относительной деформации ег для
условий свободного расширения грунта через «компрессионный» модуль
-сжатия грунта Ео, определенный непосредственно по данным компрессион-
ного опыта («о» — символ кольца), следует писать
= 1 (1—Ч
Ео ' (Ц-.) (1-2.)
(31-22)
(31-23)
Pz-
«Компрессионный» модуль сжатия Ео устанавливается при этом по вы-
ражению
(31-24)
ez.on
где р2 — нагрузка опыта;
аг.оп — относительная деформация сжатия образца грунта при опыте под
нагрузкой рг.
Обозначим
м= —
(1 + 4 (1-2.)
(31-25)
Число М назовем «переходным коэффициентом» (оператором). Коэф-
фициент М может быть представлен исходя из выражения (31-25) в сле-
дующем виде:
Л4 =-----(£=12)---. (31.26)
(1 —. —2.2)
Как видно из данной зависимости, коэффициент М во всех случаях
больше 1 или в крайнем случае (при коэффициенте Пуассона . = 0) равен 1.
Коэффициент М позволяет связать значения модулей сжатия «свобод-
ного» Е и «компрессионного» Ео следующей зависимостью:
Ео = ME
(31-27)
496
или, подставляя в последнее выражение значение М из зависимости (31-25)
(14-ч)(1-2ч)
(31-28)
В рассматриваемых целях достаточно часто используется коэффициент
Коэффициент Р определяется по выражению
9^2
Р = 1----— (31-29)
1 - V
или
(1 + у)(1-2.) ,
(1~ч)
Сопоставляя выражение (31-30) с зависимостью (31-25), получим
? = тг- (31-31)
Таким образом, коэффициент р представляет собой обратную величи-
ну М.
В целях приближения формулы для прогноза осадок сооружений
(31-15) к условиям компрессионного опыта (образец в кольце) при исполь-
зовании в ней показателей ер2, ерх и еру, получаемых непосредственно из
опыта, без каких-либо пересчетов переходный коэффициент М включается
в виде простого сомножителя. Таким образом, осуществляется как бы пере-
ход в расчетной формуле от модуля сжатия Ео «компрессионного» к «сво-
бодному» Е. При этом условии формула (31-15) приобретает окончательный
вид
4oC.z = Mhdepz~4ePx + epy)]' (31-32)
При коэффициенте Пуассона v = 0 коэффициент М в соответствии с
выражениями (31-25) и (31-26) получает значение М — 1. Тогда выражение
'(31-15) приобретает вид, в точности отвечающий выражению (31-16)
4>с. г ^iepz'
Перейдем теперь к выводу формулы для прогноза осадок сооружений в
условиях плоской задачи. В этих условиях относительная деформация
по оси Y
еу = 0. (31-33)
Вместе с тем, как известно,
бу = [вру v (&рх (31-34)
497
Учитывая условие (31-33), из выражения (31-34) мы получим
еру v 4“ £pz) (31 ”35)
Вернемся к выражению (31-8)
\?pz V ^рх 4~ Рру)1 •
Подставив в него значение еру из зависимости (31-35), получим
ez = epz v 1ерх 4" v (ерх 4~ ерг)1 (31 "36)
или
< = (1 - X2) epz - V (1 + V) ерх, (31-37).
т. е.
(31-38)
и окончательно
< = (1 - V2) е„] . (31-39)
Очевидно, что осадка за счет уплотнения некоторого слоя грунта мощ-
ностью ht в условиях плоской задачи может быть определена из выражения
<.г = <Лг-_ (31-40)
Подставляя в это выражение значение ez из выражения (31-39), по-
лучим
(1 - (31-41)
Вводя в последнее выражение оператор М в целях учета условий комп-
рессионного опыта и обеспечения включения в него значений epz и ерх непо-
средственно из опыта, получим окончательно
- ’2) [ъ- тУ^]- <31-42>
Очевидно, что при v = 0 и эта формула приведет к уже хорошо извест-
ной нам зависимости (31-16)
vf = h;e„^.
*OC.Z I pz
Для использования приведенных выше формул по определению осадки
^oc.z И 7j0c.z расчетного слоя в условиях трех- и двухмерных задач
необходимо располагать величинами оператора М. и коэффициента Пуас-
сона v. Переходный коэффициент М функционально связан с коэффициен-
том v и в силу этого может быть легко определен по выражению (31-25),.
если известен коэффициент Пуассона v.
498
Непосредственное определение коэффициента Пуассона v для грунтов
затруднительно. Проще этот коэффициент определяется через коэффициент
бокового давления £, который связан с коэффициентом Пуассона v выраже-
нием
1 —-7
Решая это выражение относительно v, получим
(31-43)
(31-44)
V = -----------
i + e
Определение коэффициента бокового давления £ легче всего произво-
дится на аппарате для испытания грунта в трехосном напряженном состоя-
нии — стабилометре (см. рис. 8-6). В данном испытании к грунту, уже на-
ходящемуся в некотором напряженном состоянии под воздействием верти-
кального и боковых р2 = р3 давлений, прикладывается дополнительно
вертикальная нагрузка Api. Одновременно при помощи манометра ведется
наблюдение за возникающим при этом повышении бокового давления Др2=
= АРз-
Величина коэффициента бокового давления определяется по выражению
(31-45)
Дрх
Вместе с тем коэффициент бокового давления В в условиях предельного
равновесия может быть связан с углом внутреннего трения ср грунта из-
вестным выражением
£ = tg2{45°---(31-46)
Эта формула является, естественно, пригодной лишь для сыпучих грунтов
(с = 0). Ориентировочное определение коэффициента £ для глинистых
грунтов может быть выполнено по следующему выражению:
£ = tgs(45’---(31-47)
где ф — угол сопротивления сдвигу при нагрузке р, определяемый по
зависимостям (28-13), (28-14). .
В заключение здесь приводится табл. 24 значений коэффициента боко-
вого давления £, коэффициента Пуассона v и оператора М для некоторых
разновидностей глинистых грунтов, определенных как средние из ряда
опытов.
499
Таблица 24-
Коэффициент бокового давления коэффициент Пуассона v
и оператор ЛГ для различных грунтов
Наименование грунта £ V м
Твердые глины 0,11—0,25 0,10—0,20 1,02—1,11
Плотные глины 0,33—0,45 0,25—0,30 1,20—1,25
Глины средней плотности 0,49—0,59 0,33—0,37 1,46—1,76
Пластичные глины 0,61—0,82 0,38—0,45 1,86—3,80
Попутно напомним, что для жидкости, отвечающей гидростатическому
закону, коэффициент бокового давления £ = 1, что соответствует коэффи-
циенту Пуассона v = 0,5.
Г ЛАВ А 32
ОПРЕДЕЛЕНИЕ [НОРМАЛЬНЫХ СЖИМАЮЩИХ НАПРЯЖЕНИЙ
Определение нормальных напряжений pz и рх в условиях плоской задачи.
Непременной частью работы по прогнозу предстоящей осадки и деформации
сооружения является установление величин нормальных напряжений:
pz, рх и ру для трехмерной и pz и рх для двухмерной (плоской) задач.
Обратимся в первую очередь к рассмотрению вопроса определения на-
пряжений pz и рх в условиях плоской как более простой задачи.
Напряжения pz и рх в наименее громоздкой форме выражаются через,
угол видимости а.
Теоретическое решение задачи для случая равномерно распределенной
нагрузки р0 по полосе шириною 2 b дано в гл. 20 настоящей книги. Здесь
были получены следующие выражения для определения:
а) вертикальных нормальных сжимающих напряжений (см.
формулу 20-29)
pz = [а — sin а cos (ах + <х2)];
б) горизонтальных нормальных сжимающих напряжений’
(см. формулу 20-30)
= + Sil1 “ C°S (“1 +
Значения углов а, и а2, входящих в настоящие формулы, видны из;
приведенного ранее рис. 20-7.
500
На рис. 32-1 приведены кривые равных вертикальных нормальных на-
при ений pz, на рис. 32-2 — кривые равных горизонтальных напряжении
рх от вертикальной нагрузки р0 и на рис. 32-3 — соответственно от сдвигаю-
щей (касательной) по поверхности q0. Последний график построен по фор-
муле
= ?о |п (6 + *)2 + _________________4bq0xz2_______
Рх " (Ь — х)2 + г2 тг[(&2 + х2 + 22) — 452х2] ’
Напомним, что кривые равных горизонтальных напряжений рх от дей-
ствия равномерно распределенной вертикальной нагрузки р0 являются;
одновременно кривыми равных касательных напряжений т2Х от равномерно*
распределенной по поверхности касательной нагрузки д0.
Рис. 32-1. Кривые равных вертикальных напряжений
pz в относительных координатах при равномерно распре-
деленной нагрузке ро- Плоская задача:
Pz — Г1 Ро=— [сс—sin a cos (ои+аг)]
В такой же мере ранее приведенный рис. 20-19 для определения каса-
тельных напряжений tzx от действия вертикальной нагрузки р0 является
одновременно пригодным для определения напряжений pz, возникающих
в толще под воздействием касательной к поверхности нагрузки qQ.
50 L
Рис. 32-2. / Кривые равных горизонтальных нормальных напря-
жений рх от вертикальной равномерно распределенной нагруз-
ки ро и касательных напряжений т~Л от горизонтальной рав-
номерно распределенной касательной нагрузки до
Рис. 32-3. Кривые равных горизонтальных напряжений рл при равно-
мерно распределенной касательной нагрузке до
Эти кривые построены расчетом по формулам (20-29) и (20-30). Некоторые-
данные этих расчетов сведены в табл. 25 и 26. Здесь по-прежнему положение
точки определяется относительными координатами v и d, выражаемыми в-
долях полуширины загруженного участка Ь. Напомним, что v= и d =
Ь
= —. Напряжения на кривых также обозначаются в долях от интенсивности
Ь
нагрузки по поверхности, т. е. в долях от р0 в виде соответствующих коэф-
фициентов и и V. Таким образом,
Pz = ^Pv (32-1)
Px = W (32-2).
Приведенные графики дают весьма характерную картину изменения
нормальных напряжений pz и рх в толще основания сооружения. В част-
ности обращает на себя внимание весьма интенсивное убывание горизон-
тального нормального напряжения рх по глубине v в пределах контура
ширины В — 2 b загруженного участка, и в особенности по оси симметрии.
Это положение отчетливо усматривается из следующего примера.
Пример. Поверхность толщи по полосе шириной 26 = 3,0 м за-
гружена равномерно распределенной нагрузкой р0 =-- 2,5 кГ/см2. Требует-
ся найти значения вертикального pz и горизонтального рх напряжений по
оси симметрии на глубине z = 3,0 м.
Определим относительные координаты точки:
Таблица 25.
Pz
Значения вертикальных нормальных напряжений — = р..
Ро
Плоская задача. Вертикальная равномерно распределенная нагрузка р0
d
V 0,0 0,1 0,2 0,3 0,5 0,7 1,0 1,5 2,0 '3,0 4,0 5,0
0,0 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 Не опр. 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000
0,1 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 0,500 0,002 0,000 0,000 0,000 0,000
0,2 0,998 0,996 0,996 0,996 0,989 0,961 0,499 0,010 0,005 0,000 0,000 0,000
0,3 0,993 0,988 0,987 0,985 0,966 0,910 0 ,498 0,030 0,005 0,001 0,000 0,000
0,5 0,960 0,960 0,954 0,942 0,907 0,808 0,496 0,090 0,019 0,002 0,001 0,000
0,7 0,906 0,905 0,900 0,887 0,830 0,732 0,489 0,148 0,042 0,005 0,004 0,001
1,0 0,822 0,820 0,815 0,807 0,728 0,651 0,479 0,218 0,084 0,017 0,005 0,003
1,5 0,670 0,666 0,661 0,647 0,607 0,552 0,449 0,262 0,145 0,050 0,015 0,007
2,0 0,540 0,540 0,543 0,535 0,511 0,475 0,409 0,288 0,185 0,071 0,029 0,013
3,0 0,397 0,395 0,395 0,389 0,379 0,354 0,334 0,273 0,211 0,114 0,059 0,032
4,0 0,306 0,305 0,304 0,303 0,292 0,291 0,275 0,243 0,205 0,134 0,083 0,051
5,0 0,242 0,242 0,242 0,241 0,239 0,237 0,231 0,215 0,188 0,140 0,094 0,065
503
Таблица 26
Рх
Значения горизонтальных нормальных напряжений —
Ро
Плоская задача. Вертикальная равномерно распределенная нагрузка р0
d
V 0,0 0,1 0,2 0,3 0,5 0,7 1,0 1,5 2,0 3,0 4,0 5,0
0,0 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 Не опр. 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000
0,1 0,972 0,872 0,871 0,861 0,885 0,774 0,468 0,123 0,042 0,015 0,009 0,006
0,2 0,754 0,750 0,742 0,736 0,685 0,593 0,437 0,190 0,079 0,030 0,016 0,016
0,3 0,643 0,643 0,618 0,615 0,564 0,482 0,405 0,238 0,117 0,047 0,027 0,015
0,5 0,450 0,448 0,440 0,462 0,399 0,356 0,348 0,286 0,171 0,074 0,041 0,026
'0,7 0,314 0,309 0,305 0,301 0,286 0,276 0,291 0,284 0,200 0,096 0,054 0,034
1,0 0,134 0,186 0,191 0,199 0,178 0,195 0,225 0,224 0,211 0,122 0,074 0,049
1,5 0,080 0,081 0,081 0,087 0,097 0,114 0,143 0,180 0,185 0,145 0,097 0,068
2,0 0,042 0,042 0,043 0,045 0,055 0,067 0,089 0,123 0,145 0,135 0,103 0,077
3,0 0,015 0,013 0,013 0,017 0,021 0,028 0,040 0,063 0,084 0,102 0,097 0,083
4,0 0,006 0,006 0,006 0,007 0,010 0,013 0,021 0,033 0,049 0,071 0,078 0,075
5,0 0,000 0,000 0,000 0,000 0,002 0,004 0,011 . 0,020 0,030 0,048 0,062 0,053
1) d = ~ = Ь = —^—= 0; 1,5
2) v = — = 7 ь з,о 1,5
Найдем по графикам (см. рис. 32-1 и 32-2) значения коэффициентов р.
и v для точки (и = 2; d = 0). Получим:
1) = 0,58;
2) v = 0,08.
Тогда по выражениям (32-1) и (32-2) окончательно определим
1) р2 = 0,58 • 2,5 = 1,65 кПсм?-,
2) рх = 0,08 -2,5 = 0,2 кПсм\
Как видим, в данном случае вертикальное напряжение р2 превышает
горизонтальное рх больше чем в 8 раз.
Следует снова подчеркнуть, что напряжение р2 достигает своего макси-
мума по оси симметрии (х = 0; d = 0) на поверхности толщи (z = 0; v —
= 0), более или менее резко снижаясь по глубине толщи, и с удалением от
504
оси Z по некоторому криволинейному закону, определяемому выражением
(20-20). Характер изменения pz в функциональной зависимости от г (ц) и
х (d) виден из рис. 32-4 и 32-5.
Для некоторых расчетов при ленточной нагрузке, требующих наиболь-
шей наглядности картины распределения вертикальных напряжений, ока-
зывается полезным и другой упрощенный метод — метод трапеций и тре-
угольников. Этот метод базируется на утверждении, выведенном на основе
анализа распределения напряжений в упругом полупространстве, что до*
глубины v = 2,0 эпюры вертикальных напряжений pz носят с достаточным
для целей практики приближением
характер трапеций, ниже—треуголь-
ников. В качестве примера такого
построения приводится рис. 32-6.
Рис. 32-5. Кривые распреде-
ления вертикальных нормаль-
ных напряжений pz по верти-
кальным створам (по В. Ф.
Бабкову)
Рис. 32-4. Кривые распределения
вертикальных нормальных напряже-
ний pz на разных глубинах z (у) от
поверхности (по В. Ф. Бабкову)
Построение этих эпюр осуществляется на основе выполнения следующих,
трех условий:
а) высота трапеций и треугольников напряжений совпадает с осью сим-
метрии (ось Z) и численно равна напряжению по оси симметрии на данной
глубине Z (и);
б) площадь каждой эпюры численно равна всей нагрузке, приложенной
на поверхности толщи, т. е. Р = 2 bpo‘f
в) ширина эпюры pz ограничивается предельными линиями распределе-
ния напряжений с наклоном к вертикали до глубины v = 2,0 под углом в-
52° и в более глубоких горизонтах — под углом в 56°.
505*
Следует иметь в виду, что значения вертикальных pz, а также горизон-
тальных нормальных напряжений рх по оси симметрии (ось Z) в точности
равны действующим здесь главным напряжениям рг и р2. В самом деле,
обратимся к рис. 32-7.
Для определения pz и рх вспомним формулы (20-29) и (20-30):
[а — sin а cos (ах ф а2)];
рх = [а ф sin а cos (аг ф а2)Т
Рис. 32-6. Построение эпюр вертикальных нормальных напряжений р2 по методу
трапеций и треугольников
Из построения (см. рис. 32-7) следует, что угол р = В этом случае
(см. углы при точке С):
а1фа2 = 180°. (32-3)
Тогда
cos (04 ф ос2) = cos 180° =—1,0. (32-4)
Подставив полученную величину в зависимости (20-29) и (20-30), по-
лучим формулы для определения pz и рх по оси симметрии (ось Z):
р2= -^(афзша);
Рх = ~~ (а — sin а).
(32-5)
(32-6)
506
Вместе с тем мы имеем следующие общие выражения для определения7
главных напряжений Pi и р2 через угол видимости а (см. формулы 20-32“
и 20-33):
Pi = -^(а-ф sina);
р2= (а —- sin а).
Как видим, для рассматриваемого слу-
чая (ось Z) действительно
определения вертикальных р2 и
горизонтальных рх нормальных
напряжений по оси симметрии
Pz = Pi\ (32-7)
Рх = Р2 • (32-8)
Указанное обстоятельство позволяет
определять значения рг и рк для оси за-
груженного участка при отсутствии эпюр
рис. 32-1 и 32-2 по «кругам напря-
жений» (см. рис. 20-13) или по отвечаю-
щей им табл. 20.
Однако во многих случаях возникает
необходимость установления р2 и рх для
различных глубин z по другим створам с
ординатами х и d, отличными от нуля.
Для таких случаев оказываются не-
заменимыми графики (рис. 32-8 и 32-9),
получившие наименование в инженерной
практике «эпюры лилии».
По оси абсцисс этих графиков откладываются значения коэффициентов
[1 и v, определяющие собой значения рг и рх от нагрузки на поверхности р0.
(см. выражение 32-1 и 32-2) в долях единицы.
По оси ординат отложены относительные глубины, выраженные в долях
полуширины загруженной поверхности, т. е. и Семейство кривых,
Ъ
нанесенных на графиках, соответствует значениям вертикальных и гори-
зонтальных напряжений рг и рх на той или иной глубине по некоторому
определенному створу, расположенному в относительном удалении d =
= —от оси симметрии загруженного участка. Пользование диаграммами
Ь
лучше всего уяснить на частном примере.
Пример. Допустим, что свободная поверхность несет по ширине
2 b = 20 м равномерно распределенную нагрузку р0 = 5 кГ/см?. Требуется’
507’
Рис. 32-8. График для опре-
деления вертикальных нор-
мальных напряжений pz через
коэффициент р. по формуле
Pz ~ РРо как функции отно-
сительной глубины v .=_|_для
разных створов d =-L . Рав-
номерно распределенная на-
грузка ро- Плоская задача
Рис. 32-9. График для опре-
деления горизонтальных нор-
мальных напряжений через
коэффициент v по формуле
Рх — v Ро как функции отно-
сительной глубины и =.?— для
разных створов (d =~ ). Равномерно распределенная нагрузка ро. Плоская задача
b
щайти вертикальное напряжение pz, передающееся на некоторый слой
-слабой породы, залегающий на глубине г = 15 м от поверхности по створу
в 5 м от центра загруженного участка (х = 5,0 ж).
Найдем прежде всего для интересующей нас точки А относительные
.координаты о и d по уже хорошо известным нам выражениям, имея в
виду, что в данном случае полуширина загруженного участка b = 10 лг.
г
V = —
ь
= — = 1,5;
10
= — = 0,5.
10
(см. рис. 32-8) и находим по кривой
d=—~
ь
Далее обращаемся к графику
d = 0,5 для глубины v = 1,5 для заданной точки А значение переходного
-коэффициента р, = 0,61. Отсюда
pz = [ip0 == 0,61 • 5,0 = 3,05 kTIcm?.
Более точно значение у- = 0,607 мы могли бы получить для соответствую-
щих значений v — 1,5 и d = 0,5 из табл. 26.
Как видим, в условиях нашего примера на глубине z =- 15 м вертикаль-
ное нормальное напряжение все еще оказывается весьма значительным.
При уменьшении ширины загруженного участка значения напряжения
,pz,a вместе с ним и напряжения рх для той же глубины соответственно сни-
жаются. Для численной характеристики отмеченного условия обратимся
снова к примеру.
Пр и м е р. Сохраним все условия предшествовавшего примера за ис-
ключением ширины загруженного участка, которую примем 2bi = 6 м.
В этом случае Ьх = 3 м, а относительная глубина определится величиной
15 5
и = -у- = 5. Относительная абсцисса d = —- = 1,67. Величина коэффи-
.циента у по графику (см. рис. 32-8) или табл. 25 для значений v = 5 и d =
= 1,67 равна 0,2. Следовательно,
pz = 0,2 • 5 = 1 кГ/см2,
Таким образом, при уменьшении ширины загруженного участка от
2Ь = 20 м до 2bi = 6 м напряжение р2 в той же точке под основанием со-
оружения при той же нагрузке на поверхности р0 = 5 кГ/см2 на той же
глубине z = 15 м сократилось более чем в 3 раза.
Такое положение является прямым следствием более интенсивного рас-
сеяния напряженного состояния в грунтовой толще при меньшей ширине
.загруженного участка. Это положение как одно из важнейших в механике
грунтов уже не один раз отмечалось в предшествующем изложении.
509
Brinch Hansen* дает следующие упрощенные формулы для определения:
нормальных напряжений pz и рх с ошибками, не выходящими за пределы
практической целесообразности.
1. Плоская задача; гибкая лента
Р РВ2
Pz ~--------Р г =--------------
z B + z Кх (В 4- г)3
(32-9)
Здесь Р — pQB, где В = 2Ь — вся ширина загруженного участка.
До глубины z < b нормальные напряжения могут быть приняты по-
стоянными и равными:
Pz = Po и =
2. Квадратный фундамент (центр)
Р РВ2
pz =------; Рх =--------• (32 -10}
(в + г)2 (В + ?)4 v ’
В данном случае Р = РоВ2.
3. Прямоугольный фундамент (центр)
Р РВ2 их
р, =----------; Р? =------------• (32-11}
z (B + ?)(L-H) х (B + zp(L + z)
Здесь В = 2Ь и L = 2а (полные ширина и длина фундамента).
Мы до сих пор подвергали рассмотрению вопрос определения нормаль-
ных напряжений pz и рх для заданной точки с некоторыми координатами
(z и х) в толще основания, загруженного по некоторой полосе (плоская
задача) равномерно распределенной нагрузкой с интенсивностью р0,
кПсм2.
В специальных изданиях, посвященных механике грунтов, приводятся
формулы и графики определения pz и рх, подобные рассмотренным выше,
для различных условий загрузки поверхности (по закону треугольника,
по трапеции, параболе, для случая равномерно распределенной по поверх-
ности касательной нагрузки и т. д.)**.
Не останавливаясь здесь на рассмотрении всех этих случаев, приведем
лишь два расчетных графика (рис. 32-10 и 32-11) пр определению значений
вертикальных и горизонтальных нормальных напряжений pz и рх под на-
грузкой, распределенной на поверхности толщи по закону равнобедренного
треугольника.
* Brinch Hansen. Hauptprobleme der Bodenmechanik. Berlin, 1960.
** См.: H. H. Маслов. Прикладная механика грунта, стр. 144—150 и 181 —
191, 1949 г.
510
в
Рис. 32-10. Вертикальные нормальные сжимающие напряжения
pz под нагрузкой по закону равнобедренного треугольника в от-
по закону
треугольника в относитель-
ных координатах v = — и d=—
b b
Л А
Рис. 32-12. Определение напряжений от на-
грузки, распределенной по трапеции (дорож-
ная насыпь)
Эти графики построены по
нижеследующим формулам:
Р2 = № (ai + +
КО
+ х(ах—а2)]; (32-12)
Рх - ~~ Ib (а1 + аз) + х (а1 —
Рис. 32-13. График Остерберга для опреде-
ления вертикальных нормальных напряжений
рг в основании насыпи. Плоская задача
-а2)-2г1п-^М (32-13)
J
Значение углов ах и а2, вхо-
дящих в эти формулы, видно
из схемы рис. 32-11.
Такой случай часто встреча-
ется в дорожной практике при
необходимости определения рг
в той или иной точке основания
высоких насыпей.
Принцип составления этого»
графика остается прежним. По-
строен он в относительных ко-
ординатах V и d в долях от по-
луширины загруженного участ-
ка Ь; напряжения pz даются
здесь в долях от нагрузки р0,
определяющей собой давление
на грунт от веса насыпи по
оси симметрии (ось Z). Очевид-
но, что
р0 = Т„Я. (32-14)
Здесь Н — высота насыпи, м;
у w — объемный вес грун-
та насыпи.
Способ применения этих гра-
фиков обычен и не нуждается в
пояснениях.
Пример. Требуется оп-
ределить вертикальное нор-
512
мальное напряжение pz под краем насыпи (х = Ь) с полуторными (1 : т~
= 1 : 1,5) откосами высотой Н = 10 м на глубине z — 7,5 м. Объемный
вес грунта насыпи = 1,95 T/mz.
При заданной высоте насыпи Н заложение его откоса определяется,
из выражения
а = mH = 1,5 «10=15 м.
40
г-7.0 2=20
к
'Рг Рг
Рис. 32-14. Расчетные схемы к примеру использования гра-
фика Остерберга
Следовательно, в относительных координатах v и d положение заданной
точки z будет
2 7,5 л с
v = —• = —-— = 0,5,
b 15,0
= ~ = = L
b 15
Нагрузка р0 определяется по выражению (32-14) как
р0 = 1,95 - 10=19,5 77ж2 = 1,95 кПсм\
По графику (см. рис. 32-10) получим
pz = 0,17р0 = 0,17 • 1,95 = 0,33 кГ!см2.
17 Заказ № 549
51J
В дорожной практике часто возникает необходимость определения на-
пряжений pz под насыпями с широко развитым гребнем (нагрузка по за-
кону трапеции). В этом случае для определения напряжений рг, рх и тмакс
используются следующие выражения (рис. 32-12):
Pz = — [а (?х + ₽, + ?,). + Ь (₽, + ₽,) + *(?,- ₽3)]; (32-15)
Рх = — [а (?х+ Рз+ Рз) + Ь (₽,+ М + ₽,) - 2z In_^*-];(32-16)
Ъикс = "S’ 1/1П2 + ' (32'17>
Для упрощения расчета по определению pz может оказаться весьма
полезным график Остерберга*.
График Остерберга, приведенный на рис. 32-13, построен автором на
основе формульных зависимостей, предложенных Буссинеском. Для исполь-
зования графика Остерберга надо найти прежде всего значения ~ и
отвечающие заданному заглублению точки в основании насыпи, для кото-
рой определяется вертикальное напряжение pz. Далее по графику для опре-
деленных значений — и — находится тем или иным способом величина
Z Z
расчетного коэффициента /расч. Наконец, величина pz определяется по вы-
ражению
Pz == ^расч Ро • (32-18)
В последнем выражении р0 — удельная нагрузка, определяемая по вы-
ражению
р0 = тЯ. (32-19)
Способ использования графика Остерберга в практических целях лучше
всего рассмотреть на следующих примерах.
Пример 1. Требуется найти вертикальное нормальное сжимающее
напряжение pz, возникающее в точке А, лежащей на глубине z = 20 м
ниже поверхности земли в пределах контура гребня насыпи. Расчетная
схема — согласно рис. 32-14, а. Заложение откоса а = 20 м.
В условиях примера
а __ 20 ___ j
z — ~2сГ ~
* I. О. Osterberg (USA). Influence Values for vertical Stresses in a semi—
infinite Mass due to an Embankment Loading. Fourth Conf, on Soil Meeh, and Found.
Eng. London, 1957, 3a/28.
514
Для рассматриваемого случая при размещении заданной точки в пре-
делах контура гребня насыпи
I расч — Л + Лтр (32-20)
Здесь 7л и /пр — соответственно коэффициенты для левой и правой частей
насыпи, определяемые абсциссами заданной точки Ьл
и Ьпр до левой и правой бровок насыпи.
В данном случае Ьл — 10 м и Ьпр = 30 м. Тогда
___________________ Ю л е „ ^пр 30 , с
z ~ 20 И г ~ 20 1,Ь’
Далее по графику Остерберга для значения = 1 находим величины
/л и 7пр для соответствующих значений
А_ = о,5 и -^- = 1,5, 7Л = 0,397 и 7ПО = 0,478.
Z Z л пр >
Тогда по выражению (32-20) 7расч — 0,397 + 0,478 = 0,875.
Далее, по выражению (32-19) находим величину р0 и> наконец, по выра-
жению (32-18) вертикальное напряжение р2
Pz = 0»875ро.
Пример 2. Условия задачи — по примеру 1, но точка В, для кото-
рой определяется напряжение pz, лежит под откосом насыпи. Расчетная
схема — по рис. 32-14, б. В данном случае решение задачи упрощается,
поскольку
Имеем по-прежнему
1 расч л пр •
(32-21)
^пр — 2,5 находим
Z
и
а __ 20 __ р
~г~ ~ 2сГ ~ ’
6пр _ 40+Ю _
z ~ 20 ~
По графику Остерберга для значений = у
г
величину 7расч = 7пр = 0,492 и по выражению (32-18) pz = 0,492 р0.
График Остерберга с очень большим приближением может быть ис-
пользован и для нахождения вертикальных нормальных напряжений р2
для равномерно распределенной нагрузки и нагрузки по закону треуголь-
ника. Обратимся снова к примерам.
Пример 3. Требуется найти pz в точке С для случая равномерно
распределенной нагрузки р0. Расчетная схема — по рис. 32-14, в. В данном
17*
515
случае а = 0. В связи с этим принимаем ~~ = 0,01. Для этого примера
Ьл = 10 м; 6пр = 20 ж. Тогда
Пографикудля -Д-=0,01,-у-= 0,5 и -=1 находим/л =0,278
и /пр = 0,41, откуда /расч = 1Л + /пр = 0,688.
Согласно выражению (32-18) pz = 0,688 po-
ll р и м е р 4. Требуется найти pz в точке D для случая треугольной
нагрузки по расчетной схеме рис. 32-14, г. Для этого случая расчетный
коэффициент равен
/расч = 2/. (32-22)
При этом коэффициент I для значений определяется согласно задан-
ному заложению откоса а и -|- = 0. В данном случае
а , 20 b г,
---—------= 1 и —• = 0.
z 20 2
Находим по графику Остерберга значение / = 0,25. Тогда согласно
выражениям (32-22) и (32-18) имеем
^расч= 2 • 0,25 = 0,5 или pz = 0,5po.
График Остерберга допускает возможность решения с тем или иным
^приближением и других задач. Нет сомнения, что в силу простоты его
использования график Остерберга найдет широкое применение в геотех-
нической практике. В сложных случаях загрузки толщи напряжение р2
в той или иной точке определяется путем наложения (суммирования) на-
пряжений, возникающих в этой точке от нагрузки с более простой формой.
Так, например, при определении этим методом напряжения pz в некоторой
точке основания под нагрузкой поверхности по закону трапеции (случай
неравномерного сжатия) оказывается очень удобным принять для расчета
равномерно распределенную нагрузку р0 и нагрузку по закону прямоуголь-
ного треугольника.
Однако с вопросом о необходимости наложения напряжений pz мы встре-
чаемся и при других обстоятельствах. В практике строительства очень
часто сталкиваются с условием близкого расположения фундамента смеж-
ных сооружений. В общем напряженном состоянии толщи взаимное влия-
ние их несомненно. Поэтому при определении вертикального напряжения
рг в некотором, в особенности более глубоком горизонте в ряде случаев во
516 '
избежание ложных представлений совершенно невозможно ограничиваться
учетом влияния одного лишь фундамента. Это положение иллюстрируется
рис. 32-15.
Мы имеем случай, когда три ленточных фундамента шириной 26=2 м
располагаются с промежутками в 1м. Интересующий нас слой А залегает на
глубине z = 10 м или z = 10 b от поверхности (см. рис. 32-15, а). В соот-
ветствии с данными табл. 25 pz в уровне слоя А, если рассматривать в от-
Рис. 32-15. Пример взаимного влияния близко , расположенных
сооружений
дельности только средний фундамент, определится в данном случае при
р0 = 3,0 кГ/см2 величиной pz — 0,33 к.Г1см2. Обращаемся к рис. 32-15, б.
Мы распределили всю нагрузку от трех фундаментов по всей занимаемой
ими ширине. Таким образом,
/70ср = 34"==2’25 КГ!СМ<&-
Н О
По графику (см. рис. 32-8) для d. = 0 и v = = 2,5 определим на-
4
пряжение pz = 0,46-2,25 = 1,04 кГ/см2, т. е., другими словами, в действи-
тельности слой А будет иметь гораздо более значительное напряжение.
Для общей оценки явления на рис. 32-15, а и б нанесены эпюры затухания
по глубине pz для створов, проходящих по осям загруженных участков.
Нередко осадка уже существующих сооружений вызывается нагрузкой
517
в граничных с ними зонах. Это связано с законом распределения верти-
кальных нормальных сжимающих напряжений р2 в грунтовой толще (см.
рис. 32-4 и 32-5). В мостовой практике такие случаи достаточно часто воз-
никают в связи с влиянием веса высоких подходных насыпей на осадку и
деформацию береговых опор.
На рис. 30-4 был приведен пример значительной осадки и аварийной
деформации арочного моста, в частности его правобережного устоя, про-
севшего почти на целый метр. Эта осадка была вызвана весом почти 20-мет-
ровой подходной насыпи и возникла в связи с наличием в основании устоя
Рис. 32-16. Деформация левобережного устоя моста в
связи с влиянием веса подходной насыпи:
1 — суглинок; 2и4 — гравий; 3—пластичная глина; 5—глина в
твердой консистенции; 6— коренные осадочные породы; 7 —короткие
сваи; 8 — шпунтовое ограждение
ниже острия свай пластов погребенного торфа. Мост не был полностью
разрушен лишь благодаря тому, что он весьма удачно и предусмотрительно
был осуществлен в виде трехшарнирной арки, мало чувствительной к дефор-
мации опор.
Следует подчеркнуть, что в подобных условиях устой или подпорное
сооружение другого назначения, несмотря на активное давление засыпки,
направленное наружу, получает наклон в сторону засыпки*. К тому же
следует подчеркнуть, что осадка сооружений в рассматриваемых условиях,
как правило, всегда бывает неравномерной в связи с более значительной
осадкой элемента сооружения, наиболее приближенного к загруженной
граничной зоне. Положение в еще большей степени усложняется при не-
однородности основания сооружения. На рис. 32-16 приводится другой
пример осадки и деформации одного из немецких мостов**.
* Н. Н. Маслов. Вопросы геотехнического анализа при конструировании
и возведении гидротехнических сооружений на слабых, легко сжимаемых грунтах.
Сб. 2. Изд. Свирьстроя, 1935.
** К б g 1 е г , Scheidig. Baugrund und Bauwerk. Berlin, 1938.
518
Вопрос идет об осадке левобережного устоя, возведенного на свайном
фундаменте, причем на сваях недостаточной длины. В результате пласт
сильно сжимаемой пластичной глины оказался сваями полностью не прой-
денным, что создало благоприятную обстановку для значительной осадки
опоры. Вместе с тем нагрузка от
смежной опоры была полностью
передана грунтам с повышенной
несущей способностью (гравий и
жесткая плотная глина). При этом
условии осадка берегового устоя,
даже при одинаковых размерах его
фундамента с фундаментом бли-
жайшей опоры и одинаковой на-
грузкой в подошве фундаментов
на грунт, исходя лишь из этого
условия, должна была быть уже
более значительной. Однако устой
или, правильнее, его основание
оказалось вдобавок под воздейст-
вием вертикальных сжимающих на-
пряжений, возникших здесь от
веса относительно высокой под-
ходной насыпи (порядка 10 м).
В конечном итоге общая осадка
устоя достигла за 3 года почти
45 см, в то время как осадка смеж-
ной опоры не превысила 10 см.
Мало этого, в связи с теми же усло-
виями устой получал наклон в сто-
рону насыпи с разницей осадок его
береговой и речной частей на 40 см.
Приведенные выше случаи под-
черкивают целесообразность воз-
ведения во многих случаях при
строительстве мостовых переходов
в первую очередь береговых опор
и подходных насыпей. При этом
обеспечивалась бы более равномер-
Рис. 32-17. График для определения вер-
тикального нормального напряжения
Pz ~ V-zP®- Равномерно распределенная на-
грузка ро. Пространственная задача
ная осадка мостового сооружения
в целом, чем заметно улучшались бы условия его работы. На практике эта
рекомендация, к сожалению, осуществляется лишь в редких случаях.
Определение нормальных напряжений р2, рх и ру в условиях пространст-
венной задачи непосредственным расчетом по формулам весьма сложно и
519
трудоемко. В силу этого в проектной практике для определения нормаль
ных напряжений применяют расчетные графики знакомого нам типа (гра-
фики «лилии») или специальные таблицы, позволяющие определять вели-
чины нормальных напряжений наиболее простым способом, без сложных
расчетов.
На рис. 32-17 — 32-19 приводятся данные для определения вертикаль-
ных р2и горизонтальных рхи ру напряжений в условиях загрузки толщи на
ограниченной в плане площади в пределах некоторого прямоугольного
участка шириной 2Ь и длиной 2а равномерно распределенной нагрузкой
с интенсивностью р0 кГ/см2. На каждом из этих графиков имеются
две шкалы, позволяющие находить значения соответствующих переход-
ных коэффициентов и sv для определения соответствующих на-
пряжений pz, рх и ру как под’ серединой загруженного участка, так и
под его углами.
Эти графики составлены в относительных координатах и дают значения
520
коэффициентов и sy для определения значений нормальных напряже-
ний рг, рх и ру по формулам:
Pz = !АгА) >
Px = vxP0; (32-23)
Ру = гуР° •
Значения коэффициентов перехода [i2, vx и гу для случая простран-
ственной нагрузки определяются применительно к степени «вытянутости»
загруженного участка а>, причем
со = . (32-24)
2b b 4
Для квадрата и = 1. Случай <о = 10 практически соответствует
нагрузке по участку с бесконечной длиной (плоская задача).
Рис. 32-17 и связанная с ним табл. 27 значений коэффициента
521
используются для определения вертикального нормального напряжения
р2. Отметим, что величина р2 в трехмерной задаче, так же как и в плос-
кой, не зависит от величины коэффициента Пуассона. Следовательно, рис.
32-17 и табл. 27 пригодны для расчетов применительно к любым грунтам,
находящимся в любой консистенции и в силу этого характеризующимися
различными величинами коэффициента Пуассона.
Таблица 27
Значение переходных коэффициентов для определения вертикальных
нормальных напряжений pz под .центром загруженного участка.
Равномерно распределенная нагрузка. Пространственная задача
. V 1,0 1,5 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0—10,0
Р- Z
0,5 0,94 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,96 0,96 0,96
1,0 0,71 0,77 0,78 0,80 0,81 0,82 0,82 0,82 0,82
1,5 0,49 0,58 0,63 0,66 0,66 0,66 0,67 0,67 0,67
2,0 0,34 0,43 0,48 0,52 0,54 0,54 0,55 0,55 0,55
3,0 0,18 0,26 0,30 0,35 0,35 0,38 0,39 0,40 0,40
4,0 0,10 0,16 0,19 0,24 0,27 0,28 0,29 0,30 0,30
5,0 0,07 0,11 0,13 0,16 0,20 0,21 0,23 0,23 0,24
7,0 0,04 0,06 0,07 0,10 0,12 0,14 0,15 0,16 0,17
10,0 0,01 0,03 0,04 0,05 0,07 0,08 0,09 0,11 0,11
15,0 0,002 0,01 0,02 0,02 0,03 0,04 0,05 0,05 0,06
График рис. 32-18 и связанная с ним табл. 28 служат для определения
горизонтального напряжения рх. Наконец, график рис. 32-19 и связанная
с ним табл. 29 относятся к случаю определения горизонтального нормаль-
ного напряжения ру.
Таблицы и графики для определения горизонтальных напряжений
рх и ру в условиях пространственной задачи составлены для частного слу-
чая, определяемого значением коэффициента Пуассона v = 0,25. Однако
напомним, что за исключением очень слабых грунтов данный случай в
условиях требуемой практикой точности может считаться всеобъемлющим.
Кривые на графиках пространственной задачи относятся к различным w.
Соответствующие шкалы на графиках позволяют находить величины отно-
сительных нормальных напряжений одновременно и под серединой и под
углами загруженного участка. Вертикальное напряжение в полупростран-
стве на некоторой глубине под углом загруженного прямоугольного-
участка равняется четверти напряжения под серединой этого участка на
половинной глубине. Отметим также, что напряжение в любой точке ос-
нования с любыми координатами может быть найдено как сумма угловых
522
Таблица 28
Значения переходных коэффициентов для определения горизонтальных
нормальных напряжений д/под углом загруженного участка.
Равномерно распределенная нагрузка. Пространственная задача.
Коэффициент Пуассона v = 0,25
V О)
1,0 1,5 2,0 3,0 5,0 7,0
0,0 0,188 0,203 0,214 0,224 0,234 0,238
0,2 0,160 0,175 0,183 0,194 0,173 0,206
0,4 0,133 0,146 0,154 0,164 0,150 0,178
0,6 0,108 0,120 0,127 0,137 0,120 0,149
0,8 0,087 0,098 0,104 0,112 0,100 0,124
1,0 0,068 0,077 0,084 0,091 0,057 0,102
1,5 0,035 0,041 0,046 0,052 0,033 0,061
2,0 0,017 0,021 0,023 0,027 0,018 0,036
2,5 0,007 0,008 0,013 0,014 0,009 0,023
3,0 0,002 0,0025 0,008 0,005 0,000 0,011
4,0 — 0,000 — — — 0,002
6,0 — —• — .—• — —
10,0 — — — . — —
Таблица 29
Значения переходных коэффициентов гу для определения горизонтальных
нормальных напряжений ру под углом загруженного участка.
Равномерно распределенная нагрузка. Пространственная задача.
Коэффициент Пуассона \» = 0,25
со
V 1,0 1,5 2,0 3,0 5,0 7,0
У
0,0 0,188 0,172 0,162 0,151 0,141 0,136
0,2 0,160 0,154 0,148 0,140 0,132 0,128
0,4 0,133 0,136 0,134 0,129 0,123 0,120
0,6 0,108 0,119 0,120 0,119 0,114 0,112
0,8 0,087 0,103 0,108 0,109 0,106 0,104
1,0 0,058 0,088 0,096 0,100 0,098 0,098
1,5 0,035 0,059 0,072 0,079 0,082 0,081
2,0 0,017 0,037 0,049 0,062 0,067 0,068
2,5 0,007 0,022 0,036 0,048 0,054 0,060
3,0 0,002 0,013 0,026 0,037 0,044 0,050
4,0 - — 0,010 0,022 0,034 0,038
6,0 — — 0,001 0,008 0,018 0,023
10,0 — — . — 0,002 0,005 0,009
523
напряжений для прямоугольников, сходящихся в данной точке и имеющих
в ней общий угол.
Способ использования приведенных графиков «лилии» усматривается
лучше всего на частном примере.
Пример. Требуется в условиях пространственной задачи найти
величину вертикального нормального напряжения pz под углом загру-
женного участка размером 2а х 2Ь = 45 х 15 м на глубине z = 20 м
от поверхности. Нагрузка р0 = 3 кГ/см2. Найдем коэффициент вытяну-
тости
Рис. 32-20. Распределение вертикальных нормальных напря-
жений pz (в долях ро) в основании ленты:
а — гибкой; б — жесткой; г и х — в долях Ь (по Д. В. Федоровскому)
Относительная глубина
v = — =-----------------------------= 2,66.
b 7,5
Обращаясь к рис. 32-17, находим по внутренним шкалам (для угла)
при v = 2,66 и по кривой о) = 3 значение коэффициента р2 =0,173. Тогда
по выражению (32-21) получим окончательно:
pz = 0,173 • 3 = 0,52 кГ/см?.
Напомним, что приведенные формулы и графики относятся к случаю
непосредственной загрузки поверхности толщи по тому или иному участку
524
„или, в другой трактовке, к воздействию на грунт некоторого абсолютно
гибкого сооружения, т. е. сооружения, не обладающего никакой жестко-
стью. Любой фундамент или сооружение обладают той или иной жестко-
стью. Таким образом, использование для обычных случаев приведенных
решений связано с некоторым допущением. Однако, как показывает анализ
вопроса, влияние жесткости сооружения сказывается лишь в непосредст-
венно подстилающей сооружение зоне (г » Ь). Указанное обстоятельство
иллюстрируется рис. 32-20. Недоучет жесткости сооружения при этом усло^-
вии приводит в обычных случаях к некоторой ошибке, не выходящей за
пределы точности решения задачи.
При необходимости уточнения решения задачи путем учета жесткости
фундамента или сооружения той или иной формы в плане могут быть ис-
пользованы соответствующие формулы или расчетные графики, приводи-
мые в специальных изданиях, например, для определения вертикальных
напряжений pz под абсолютно жесткими фундаментами кругового очерта-
ния*.
ГЛАВА 83
МЕТОДЫ ПРОГНОЗА ОСАДКИ СООРУЖЕНИЯ ЗА СЧЕТ
УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТОВ ЕГО ОСНОВАНИЯ
Метод суммирования. Как отмечалось выше, осадка поверхности толщи
грунта под весом сооружения, а вместе с тем осадка самого сооружения
определяется в практических целях суммированием осадки отдельных
расчетных слоев, на которые расчленяется толща основания, по формуле
(31-5)
D
^ос = 2d ^ос. t '
О
При использовании в качестве механической характеристики грунта
показателя его относительной деформации е или модуля осадки грунта ер,
выраженных в промиллях, выражение (31-5) приобретает для общего слу-
чая следующий вид:
D
'Пос = Yiepzhi- (33-1)
о
Здесь т]ос—общая осадка сооружения;
D — активная зона, т. е. мощность толщи, подлежащая учету при
определении величины осадки т/ос (предел суммирования);
* К- Е. Егоров. Распределение напряжений и перемещений в основании
круглого жесткого фундамента. Сборник ВОДГЕО № 9 (НИС фундаментстроя).
Вопросы расчета оснований и фундаментов. 1938.
525
epz — относительная осадка по вертикал и'(ось Z), вызванная в подо-
бающих случаях воздействием на грунт в пределах данного
расчетного слоя всех трех компонентов нормальных напряже-
ний — pz, рх и ру;
ht — мощность расчетного слоя.
Таким образом, принимая во внимание выражение (33-1), окончательные
формулы для определения величины конечной осадки сооружения т/ос в
соответствии с зависимостями (31-32), (31-42) и (31-16) могут быть представ-
лены в следующем виде:
а) для условий трехмерной (пространственной) задачи
D
+ (33-2)
О
б) для условий двухмерной (плоской) задачи
D г 1
<(i- v2) [ерг - . (зз-з)
О
в) для условий одномерной задачи
D
= (33-4)
о
В этих выражениях
epz, ерх и еру — относительные деформации, вызванные соответствующим
воздействием напряжений pz, рхп ру.
Напомним, что переходный коэффициент М, определяющий возможность
перехода от условий проведения компрессионного опыта в кольце с уста-
новленными значениями epz, ерх и еру без возможности бокового расширения
образца к условиям свободной деформации грунта, связан с коэффициентом
Пуассона v зависимостью (31-25)
М =------—-------9
(l+v)(l-2v)
В зависимости от задачи —’пространственная, плоская и одномерная—
следует пользоваться при уточненном анализе соответственно формулами
(33-2), (33-3) или (33-4). Однако, как показывает анализ этих формул, во
многих случаях достаточно точные результаты получаются при определе-
нии осадки по наиболее простой из этих формул (33-4), выведенной для слу-
чая одномерной задачи.
Это обусловлено относительно невысоким влиянием на результаты рас-
четов величины коэффициента Пуассона при его значениях 0,25 Ч-
526
-4- 0,30- Это отчетливо видно из выражения (31-26) для определения коэф-
фициента М и из самих формул (33-2), (33-3) и (33-4) для определения ве-
личины осадки т]ос сооружения. Следует отметить, что значения v =
= 0,15-4-0,25 отвечают средним, обычно встречающимся условиям. При
подстановке в формулы (33-2) и (33-3) значения коэффициента Пуассона
v = 0 эти формулы превращаются в выражение (33-4), написанное нами
для одномерной задачи, т. е. в этом случае
€ = v=<=- (33-5)
Отсюда становится очевидным, что формула (33-4) является частным
случаем формул (33-2) и (33-3) при коэффициенте Пуассона, равном нулю.
Следует напомнить, что величины горизонтальных напряжений рх и
ру обычно значительно меньше вертикального нормального напряжения
р2. Кроме того, грунты часто характеризуются некоторой анизотропией,
благодаря чему их деформация под воздействием горизонтальных напря-
жений рх и ру также нередко значительно меньше, чем деформация, вызы-
ваемая воздействием вертикального нормального напряжения рг. Все это в
известной мере обеспечивает возможность использования формулы^ (33-4)-
для прогноза осадки сооружений в обычных условиях.
При оценке возможного влияния на осадку некоторого сооружения
веса смежного сооружения необходимо использовать формулы (33-2) и
(33-3).
В таком порядке, в частности, следует рассматривать вопрос о влиянии
на осадку береговых опор мостов веса высоких подходных насыпей. Учет
горизонтальных напряжений необходим также при определении нормаль-
ных напряжений методом их наложения в этих же условиях. Необходимость
использования формул (33-2) и (33-3) очевидна также при наличии в осно-
вании сооружения слабых грунтов, характеризуемых значениями коэффи-
циента Пуассона 0,3, в частности болотистых грунтов. Это обстоятель-
ство вызывается резким возрастанием роли горизонтальных нормальных
напряжений рх и ру за пределами контура сооружения (см., например,
рис. 32-2). При использовании для прогноза осадок сооружений простей-
шей формулы (33-4) значения напряжений pz рекомендуется определять
по графику pz =f (z) (см. рис. 32-17), составленному для условий простран-
ственной задачи с учетом «вытянутости» со сооружения. Как отмечалось
выше, при значениях со > 6 это условие теряет практическое значение.
Благодаря этому во многих случаях вполне возможно, невзирая на огра-
ниченность загруженного участка в плане, использовать для расчетов гра-
фики рис. 32-8 и 32-9, составленные для условий плоской задачи.
Использование этих графиков значительно упрощает расчеты по про-
гнозу осадки поверхности толщи по любому створу с любыми значениями
их абсцисс х или d , что и обусловливает их широкое использование в нашей
практике.
527
Следующий вопрос, связанный с прогнозом осадки сооружения по
'формулам (33-2), (33-3), (33-4), заключается в способе расчленения толщи
на расчетные слои. Этому вопросу должно предшествовать решение задачи
установления необходимости предела D суммирования. Этот предел опре-
деляет собой мощность так называемой активной зоны. Величина мощности
активной зоны может устанавливаться исходя из относительного значения
величины напряжения pz по сравнению с природной нагрузкой рар или
ожидаемой осадки сооружения. Первый способ рекомендуется СНиП
П-Б. 1-62. Согласно п. 5. 16 этих Норм мощность активной зоны D опре-
деляется глубиной, где нормальное напряжение pz с точностью до ±0,05
кГ!смг равно 0,2 природной нагрузки рпр от веса вышележащей толщи,
т. е.
PzD = (°’2Рпрщ ± °’05) кГ/сж2. (33-6)
Сжимаемость грунтов может резко различаться. При этом условии пред-
ставляется более правильным исходить при установлении мощности ак-
тивной зоны D из другого принципа, а именно, из условия, чтобы погреш-
ность в определении величины осадки т/ос за счет отбрасывания из рассмот-
рения сжатия более глубоко расположенных горизонтов грунта не
превышала 5%.
В настоящее время вопрос о расчетной мощности активной зоны D под-
вергается пересмотру с позиций о начальном градиенте /нач. Возможно,
что исходя из этого условия мощность D окажется значительно меньшей,
чем ожидаемая по приведенным выше правилам (см. гл. 25 рис. 25-1). При
этом условии возможно найдет свое объяснение часто наблюдаемое превы-
шение расчетных величин осадки сооружений против фактических.
Обращаясь непосредственно к вопросу о расчленении толщи основания
на расчетные горизонты, следует прежде всего подчеркнуть, что при более
дробном расчленении толщи увеличивается точность расчета, но одновре-
менно возрастает и трудоемкость его выполнения.
Наличие пластового строения толщи с различными характеристиками
сжимаемости предрешает вопрос об их выделении в самостоятельные
расчетные слои.
При расчленении толщи на расчетные горизонты необходимо стремиться
к тому, чтобы максимальные и минимальные значения напряжений, па-
дающие на поверхностный горизонт и подошву расчетного слоя, не слиш-
ком различались (по возможности не более чем на 0,2—0,3 кПсм2). Это тре-
бование вызывает необходимость более дробного членения толщи в зоне
наиболее интенсивного снижения напряжений по глубине толщи.
Из рассмотренных эпюр изменения напряжений pz, рх и ру по глубине
2 толщи (см. рис. 32-8, 32-9, 32-17—32-19) явствует, что эта зона совпадает
с покровным горизонтом толщи основания в пределах от поверхности до
глубины г — 1,5-± 2,0 Ь, где b — половина ширины загруженного участка.
528
Расчетная величина нагрузки р0 определяется как типом, назначением
и размерами сооружения, так и величиной его заглубления /гзагл. Расчет-
ная величина р0 определяется по выражению
Ро == Рсоор Т^загл > (33-7)
где 7 — объемный вес грунта в зоне заглубления сооружения с учетом в
необходимых случаях взвешивания грунта водой;
'Т^загл — вес извлеченной земли из котлована под фундамент.
Рис. 33-1. Расчетная схема по прогнозу осадки сооружения
Отсюда, между прочим, следует вывод, что при прочих равных условиях
осадка сооружения т%с уменьшается с увеличением заглубления соору-
жения. Ясно, что при заглублении сооружения /гзагд = -Рсоор. расчетная
величина нагрузки р0 будет равна нулю. В этом случае, если не считаться
с возможностью пучения дна котлована, сооружение не будет испытывать
никакой осадки (т?ос =0).
Сущность всех последующих операций по прогнозу осадки сооружения
после установления мощности активной зоны D, расчленения толщи на
529
расчетные слои с отвечающей им мощностью и установления расчетной
нагрузки р9 заключается в следующем.
Рассмотрим прежде всего вариант задачи, когда толща в пределах,
активной зоны D является однородной и изотропной.
На рис. 33-1 приводится расчетная схема по прогнозу осадки некото-
рого сооружения, на рис. 33-2 — компрессионная кривая в виде зависи-
мости модуля осадки ер от нагрузки р, т. е.
Рис. 33-2. Компрессионная кривая к примеру
прогноза осадки сооружения:
ружки по кривой — пример [1; крестики — пример 2
в виде зависимости вида ер —
= f (р). Выдвинутое выше
условие однородности и изо-
тропности толщи свидетель-
ствует об одинаковых физи-
ко-механических свойствах,
толщи грунта в пределах
всей мощности активного слоя
D. Уменьшение сжимаемости
грунта ер с глубиной z идет
закономерно в связи с нара-
станием здесь плотности грун-
та за счет увеличения веса
перекрывающей толщи, т. е.
природной нагрузки рпр. Ус-
ловие изотропности толщи
свидетельствует об одинако-
вой сжимаемости грунта по всем трем осям Z, X и У, что позволяет ис-
пользовать одну и ту же компрессионную кривую, например по рис.
33-2 для прогноза деформации грунта в пределах всей толщи D и для под-
счета модулей осадки epz, ерх и еру, отвечающих соответственно воздейст-
вию напряжений pz, рх и ру.
Вернемся, однако, к рис. 33-1. Вся активная толща расчленяется ука-
занным выше способом на ряд расчетных слоев /—V. Определяется мощ-
ность каждого из этих слоев /zz. Для каждого из рассматриваемых расчет-
ных слоев проводятся срединные линии, по отношению к которым ведутся
все расчеты по определению напряжений pz, рх и ру, а также отвечающих им
модулей осадок epz, ерхиеру. Определяются ординаты z\ этих срединных
линий относительно поверхности толщи и zif а также подошвы сооружения..
Очевидно, что
Zz Z^ ^загл • (33-8)
Далее для глубин zt тем или иным способом определяем величины на-
пряжений pz, рхн ру в соответствии с заданными или определенными усло-
виями решения задачи (пространственная, плоская или одномерная)..
Определение напряжений pz, рх и ру во всех случаях ведется относительно
расчетной нагрузки р0, определяемой по формуле (33-7). На расчетный гра-
530
фик по найденным значениям этих напряжений наносятся эпюры pz =
= /1(2); рх = /2(х) и Ру = f з0/)« Для примера на рис. 33-1 нанесена одна из
этих эпюр для вертикального нормального напряжения pz. Наносим линию
природной нагрузки рпр собственного веса грунта. Эта линия строится от
поверхности толщи (учет природного состояния плотности грунта) по вы-
ражению
Pnpet == Тср2{-» (33-9)
где рпр — природная нагрузка для каждого из расчетных слоев, отнесен-
ная к срединной линии;
7ср— средний объемный вес для всей перекрывающей данный горизонт
толщи грунта с учетом в необходимых случаях взвешивающего
воздействия воды.
Очевидно, что
______ TlA + ЪЛа + • • •+ТгЛг /33
СР hx + h2+ . . . + hn ’ }
Естественно, что грунт в каждом из расчетных слоев /—V до возведе-
ния сооружения находился под воздействием природной нагрузки рпр,г.
С возведением сооружения условия работы грунта в каждом из слоев ме-
няются за счет возникающих здесь напряжений pz, рх и ру (в условиях
пространственной задачи). Под воздействием этих дополнительных напря-
жений грунт в пределах каждого слоя уплотняется и дает осадку ?]ос.г.
Величина осадки t/oc.z для каждого из расчетных слоев определяется
применительно к условиям задачи по одной из формул (31-32), (31-42) или
(31-16). Входящие в эти формулы величины относительных деформаций
ерх иеру определяются в рассматриваемом варианте задачи как следствие
дополнительного воздействия на грунт в рассматриваемом слое вновь воз-
никающих в нем напряжений pz, рх и ру сверх ранее действовавшего в нем
напряжения рпр от веса перекрывающей толщи. Общая осадка всей толщи
в целом устанавливается по выражению (31-5) как сумма всех частных осадок
D
Щос = S ^ОС. i
О
или из выражений (33-2), (33-3) и (33-4).
На этом кончаются все расчеты по определению в рассматриваемых
условиях величины т/ос предстоящей осадки сооружения. Одной из основ-
ных операций данного расчета является установление применительно к
условиям задачи значения модулей осадки epz, ерхиепу. Для пояснения этой
операции обратимся к частному примеру.
Пример. Требуется найти частную осадку -^расчетного слоя мощно-
стью ht = 2,5 м, залегающего на глубине z = 15 м от поверхности толщи.
531
В основании сооружения плотные глины. Компрессионная кривая согласно»
рис. 33-2 составлена по данным испытания образца, взятого вблизи от по-
верхности толщи. В пределах всей мощности активной зоны грунт одноро-
ден и изотропен. Уровень грунтовых вод совпадает с поверхностью тол-
щи (7сР = 1,03 Т/м3).
Решение должно быть найдено в условиях пространственной (трехмер-
ной) задачи.
Согласно выполненному расчету нормальные напряжения в рассматри-
ваемой точке определились значениями: р2 = 3 кГ/см2\ рх = 0,8 кГ/см2-,
ру =0,5 кГ/см2.
Коэффициент Пуассона для плотных глин v = 0,25. Согласно данным
табл. 24 этому значению коэффициента Пуассона соответствует величина,
оператора М по выражению (31-25):
М =---------------=-------1-0,25-----=1,2.
[(1 + v) (1 — 2v) (1 + 0,25) (1-0,5)
Прежде всего находим для горизонта z' =15 м величину природной:
нагрузки по формуле (33-9):
рпр = 1,03- 15,0 = 15,25 Т/м2 или 1,53 кГ/см2.
Благодаря изотропности и однородности толщи значения pz, рх и ру.
снимаем с одной кривой (см. рис. 33-2) по точкам, обозначенным кружками,
и наносим на кривую величину рпр = 1,53 кГ/см2. Находим значение мо-
дуля осадки ер.пр, отвечающего величинерпр = 1,53 кГ/см2. Получимер.пр =
= 12,6 мм/м.
Находим значения (рпр+ pz)', (рпр + рх) и (рпр + ру), а также отвечаю-
щие им значения е {Р пр + Рг} ; е( Рпр +Рх) и е(Р пр+Ру} по компрессионной кри-
вой. Определяем, наконец, значения epz, ерх и еру по выражениям
= —ЧР; j
+ ; (33-ч>
= С, I \ ------------- С
-^пр
Таким образом, находят значения epz, ерх и еру, отвечающие дополни-
тельному уплотнению грунта сверх его природного состояния под воздей-
ствием вновь прикладываемой к толще грунта нагрузки pQ.
Определение расчетных модулей осадок epz, ерх и еру сведено в табл. 30.
Величины eZ'X<y в последней графе таблицы соответствуют значениям epz
ерх иеру с определением их по разностям выражений (33-11).
532
Таблица 30s
Данные по расчету осадки по примеру
Оси ^пр ! кГ/слР р Z, х, г/, кГ/см- Рпр Т Pz,x,y, кГ/см? 4P+^sX>i,; мм/м %р- мм/м е Z, х, у, мм/м
Z 1,53 3,0 4,53 18,7 12,6 6,1
X 1,53 0,80 2,33 15,3 12,6 2,7
У 1,53 0,50 2,03 14,5 12,6 1,9
Теперь находим осадку по формуле (31-32)
V. I = ^pz v {.Zpx +у)Ь
Нормальное напряжение рг,рх и р , к Г/см г
Рис. 33-3. Компрессионные кривые для случая трех-
мерной задачи (кривая ерг по рис. 33-2)
Подставив в это выражение заданные и найденные величины, получим;
. = 1,20 - 2,5 [6,1—0,25 (2,7 + 1,9)] = 14,9 мм.
Найдем осадку ^ос.г- для этого же случая по упрощенной формуле
(31-16), написанной для случая одномерной задачи
+ . = /ьеп,.
ЮС. I I pz
Подставив в эту формулу соответствующие значения hL = 2,5 м и
epz =(18,7—12,6) =6,1 мм, получим т]осл- =2,5-6,1 =15,3 мм.
Как видим, значения и т%с, определенные по формулам для
трехмерной и одномерной задач, оказались весьма близкими, что и следо-
вало ожидать.
До сих пор рассматривался случай изотропного (по сжимаемости)
строения основания. При анизотропии толщи сжимаемость грунта по вер-
тикали обычно более высока, чем в горизонтальной плоскости. При сло-
533.
истом строении толщи это объясняется наличием в ней'более жестких про-
слойков, например уплотненного песка в глинистой толще. В этом случае
исключена возможность использования одной компрессионной кривой для
определения относительных деформаций или модулей осадок ерг, ерх и еру
по трем осям Z, X и У.
В данных условиях приходится пользоваться двумя компрессионными
кривыми: одной — для вертикальных напряжений р2, другой — для гори-
зонтальных напряжений рх и ру (рис. 33-3).
В данном случае значения ерх и еру подлежат определению в описанном
порядке по второй компрессионной кривой и окажутся соответственно мень-
ше, чем в ранее рассмотренном примере. Учет анизотропии толщи в соот-
ветствии с выражениями (31-38) и (31-42) в рассматриваемых условиях,
естественно, приведет к некоторому увеличению осадки . Исполь-
зование для указанных расчетов различных компрессионных кривых при-
водит к необходимости проведения опытов на компрессию с различно ори-
ентированными образцами.
Описанный выше метод прогноза осадок сооружения с использованием од-
ной компрессорной ‘кривой для характеристики сжимаемости всей толщи в
пределах активной зоныъ целом оказывается в наибольшей степени пригод-
ным для фундаментов с относительно небольшой шириной. В подобных случа-
ях активная зона D, благодаря быстрому рассеянию напряженного состоя-
ния с глубиной z оказывается небольшой. При этом условии является оправ-
данным рассчитывать на то, что сжимаемость толщи будет уменьшаться с
глубиной под влиянием возрастающей с глубиной z природной нагрузки
рпр.2 по закону компрессионной кривой, построенной по данным испытания
одного образца, отобранного из толщи в уровне подошвы проектируемого
фундамента.
Возможность использования одной'компрессионной кривой для харак-
теристики сжимаемости всей толщи в пределах активной зоны при большом
ее развитии по глубине имеет место также и в тех случаях, когда грунт в
силу особых условий седиментации даже на большую глубину отличается
относительно одинаковой плотностью-влажностью, следовательно, постоян-
ной по глубине сжимаемостью (рис. 33-4)*.
Подобная обстановка обычно возникает при очень медленном накопле-
нии осадки, когда породообразование в процессе диагенеза опережает рост
мощности толщи. Такая возможность подтверждается также наряду с
другими случаями В. И. Сергановым, установившим в процессе проведений
инженерно-геологических исследований в порту Вентспилс в толще илов
такую же картину на глубинах до 40 м. В этих условиях получает свое
* См.: Н. Н. Маслов. Условия устойчивости склонов и откосов,1950—1955,
•стр. 77—81; В. X о у. Инженерное грунтоведение (пер. с англ.). Стройиздат, 1966.
534
Рис. 33-4. Распределение влажности в.
глинистых породах Сарминской и Ур-
оправдание проведение расчета с
постоянным значением модуля де-
формации (Е — const) и одной для
всей толщи компрессионной кри-
вой, характеризующей в данном
случае изменяемость сжимаемости
грунта в зависимости от величины
нормальных напряжений при пос-
тоянных расчетных значениях
природной нагрузки на глубине
толщи.
В практике может встретиться
случай, когда основание будет
сложено из различных по сжима-
емости пластов пород (третий из
возможных вариантов). В этом
случае необходимо взять образцы
из каждого такого пласта и все их
испытать на компрессию. Однако
нет необходимости строить полные
компрессионные кривые, достаточ-
но определить лишь модуль осад-
ки соответствующий переходу
от природной нагрузки рпр к до-
полнительной нагрузке от веса со-
оружения pz, рх,рудля каждого из
слоев. При таком условии может
быть удобен в пользовании при-
веденный в виде примера график
рис. 33-5, не требующий особых
пояснений. Отметим лишь, что в
данном случае модуль осадки epz
отвечает повышению нагрузки в
каждом из слоев от рпр до (рПР+
+ Pz )•
Поясним условия прогноза
осадки в условиях данного (треть-
его) варианта на следующем при-
мере.
Пример. Исходные данные — по предыдущему примеру. Однако
компрессионная кривая (см. рис. 33-2) соответствует образцу, взятому
непосредственно из расчетйого слоя с глубины z-t = 15 м и обжатому под
природной нагрузкой рпр = 1,53 кПсм?. Следовательно, компрессионная
Рис. 33-5. Упрощение компрессионной
кривой
535
кривая дает такие модули осадок под дополнительной нагрузкой сверх
природной с непосредственным их отсчетом (обозначен на рисунке кре-
стиками) по шкале ер от нуля:
Ось Рг, х, у z, х, у
Z 3,0 16,5
X 0,8 8,0
У 0,5 6,5
Осадка . данного расчетного слоя в условиях трехмерной задачи в
соответствии с выражением (31-32) определится как
= 2,5- 1,20[16,5— 0,25(8,0 + 6,5)] = 38,5 мм.
Вместе с тем по упрощенной формуле (31-16) в условиях одномерной
задачи мы будем иметь:
т]'с . = 2,5 - 16,5 = 41,3 мм.
Как видим, и в данном случае разница между подсчитанными осадками
т]о'с'. и 7]0c.z более чем несущественна. Однако такое положение, как указы-
валось выше, сохраняется лишь в случае прямого определения осадки той
или иной точки на поверхности толщи в пределах загруженного участка.
Приведенный метод прогноза величины предстоящей осадки сооруже-
ния через относительные деформации или модули осадок epz, ерхиеру, естест-
венно, не исчерпывает всех возможных вариантов задачи. В частности,
нормы СНиП II-Б. 1-62 рекомендуют определять осадку сооружений с
использованием модуля деформации Et. В п. 5.19 этих Норм для опреде-
ления конечной осадки т/ос (в принятых обозначениях) рекомендуется
следующая формула (размерность — сантиметры):
п
<33’12)
о
где п— число слоев, на которые разбита сжимаемая толща;
pt — полусумма вертикальных нормальных давлений, кПсм\ возни-
кающих на верхней и нижней границах слоя i от давления, пере-
даваемого фундаментом;
— мощность слоя i, см;
Ei—модуль деформации слоя i, кПсм2;
8 — безразмерный коэффициент, корректирующий упрощенную схему
расчета и принимаемый равным 0,8 для всех видов грунта.
536
Напомним, что по существу дела коэффициент р представляет собой:
обратную величину переходного коэффициента /VI, т. е. р = — , и опреде-
ли
ляется по выражению (31-30) в соответствии с данными табл. 24.
Определение величины модуля Et, входящего в формулу (33-12), путем
полевого испытания (нагрузка опытным штампом) вызывает необходимость
в условиях одномерной задачи, отвечающей условиям компрессионного
опыта, использовать переходный коэффициент р = в данном случае уже
для соответствующего уменьшения величины ^oc.z.
Формула (33-12), рекомендуемая СНиПом, относится к случаю одно-
мерного напряженного состояния. Кроме того, формула не учитывает
зависимости модуля деформации Et от нагрузки pt и принимается для не-
которого грунта постоянной. При определении параметра перехода [3 от
условий полевого опыта к расчетным игнорируется зависимость коэффици-
ента Пуассона от степени плотности и влажности глинистых грунтов. В
этом смысле формула (33-12) несравненно беднее приведенных ранее фор-
мул (31-32) и (31-42) и одновременно сложнее формулы (31-16).
Следует отметить, что при одинаковых исходных данных, в частности
при допущении независимости модуля деформации Et от напряжений pz,
рх и ру, все эти формулы дают практически совпадающие результаты.
Для определения осадки глубоко заложенных (Язагл) фундаментов,
например, мостовых опор, необходимо считаться с другим характером
распределения напряжений в -грунтовой толще с учетом работы грунта в
толще, расположенной в граничных с сооружением зонах в уровне, выше
подошвы фундамента. В этом случае осадка ^ос.гл сооружения будет меньше
осадки т]ос свободно стоящего и при прогнозе осадки сооружения реко-
мендуется исходить из следующего выражения:
Чэс.гл^^ос- (33-13)
где р, — коэффициент уменьшения, зависящий для квадратного фундамента
от соотношения Язагл и стороны фундамента В, т. е. Согласно А.
Kezdi* величина коэффициента р. определяется исходя из следующих дан-
ных:
7/загл В 0 0,25 0,5 1 2 eo
н 1,0 0,75 0,60 0,50 0,45 0,40
* Kezdi A. Beitrage zur Berechnung der Spannungsverteilung im Boden, Bau-
ingenieur, 1958, s. 54.
537
Теория этого вопроса детально разработана. Р. Миндлиным*.
Для прогноза величины осадки за рубежом довольно часто исполь-
зуется выражение
г
Чзс-оо = f mvkpzdz. (33-14)
о
.В этой формуле tnv — коэффициент относительной сжимаемости с размер-
ностью см^кГ и равный —-— (а — коэффициент уплотнения грунта).
1 Н- е0
Как видим, эта формула в условиях одномерной задачи не учитывает
криволинейности механической характеристики грунта, что с нашей точки
зрения является ее существенным недостатком.
В заключение необходимо отметить, что по прогнозу осадки сооружений
во многих случаях оказываются более значительными, чем наблюденные
фактические. Это обстоятельство является следствием некоторого неизбеж-
ного ослабления прочности грунта при отборе образцов из толщи, а также
пластических деформаций, происходящих в процессе проведения компрес-
сионного опыта и связанных с обжатием образца и выравниванием его не-
ровностей по боковым и в особенности торцевым поверхностям. Последнее
обстоятельство приобретает особенно большое значение для плотных гли-
нистых грунтов, характеризующихся вообще малой сжимаемостью, для
которых ошибки, связанные с экспериментом, могут превышать на сотни
процентов саму величину, например, модуля осадки ер как показателя
истинного уплотнения грунта под нагрузкой. Учитывая эти обстоятельства,
показатели сжимаемости грунта, например е , надлежит устанавливать
пересчетом по изменению плотности-влажности грунта в процессе опыта
под нагрузкой (см. гл. 9).
Существенное значение в расхождении вычисленных и наблюденных
осадок может иметь, как это уже указывалось ранее, и начальный гра-
диент породы /нач, исключающий возможность уплотнения грунта под на-
грузкой в условиях, когда возникающий при этом градиент /отж, опреде-
ляющий отход из толщи отжимаемой воды, оказывается меньше, чем /нач.
При этом условии мощность активной зоны определяется лишь краевыми
слоями глинистого пласта, контактирующими с его дренирующими плас-
тами, где/отж больше, чем/нач. Это может привести к резкому уменьшению
мощности активной зоны D и тем самым величины осадки сооружения
[см., например, формулу (31-7)].
Мы не сомневаемся, что при надлежащем развитии теории затронутых
•выше вопросов отпадет необходимость использования всякого рода эмпи-
* R. М i n d 1 i п, D. Cheng. Jour, of Appl. Physics № 9, 1950.
(См.: H. H. Цытович. Механика грунтов. Изд. 4. Стройиздат, 1963, стр.
219).
538
рических, как всегда мало обоснованных для общих случаев, поправоч-
ных коэффициентов и таких же формул.
В современном представлении при прогнозе осадок сооружений в том
или ином количественном выражении необходимо считаться с возможностью
проявления трех фаз деформации грунта под нагрузкой:
I ф а з а — пластические явления на начальной стадии процесса осадки
под воздействием касательных напряжений без изменения плотности грунта;
II фаза — консолидация на последующей стадии в процессе уплот-
нения грунта под нагрузкой;
III фаза — вторичная консолидация в последнем периоде, иногда
весьма длительном, в связи с проявлением ползучести глинистых грунтов.
К сожалению, мы еще не располагаем надежными методами прогноза
осадок сооружений за счет I и III фаз деформации грунта. Одно лишь не-
сомненно: возможность их проявления возрастает с увеличением нагрузки
на грунт и отсюда с повышением роли в работе грунта касательных напря-
жений.
При надлежащей степени обеспечения прочности и устойчивости осно-
вания сооружения осадка сооружения за счет пластических движений пол-
зучести глинистых грунтов может быть практически избегнута.
Приближенные методы прогноза величины осадки сооружения. Не-
смотря на кажущуюся свою простоту, прогноз осадки сооружения методом
суммирования во многих случаях может быть излишне громоздким. Осо-
бое значение этот вопрос приобретает при проектировании относительно
небольших и простых сооружений. При незначительном развитии фундамен-
тов и самого сооружения вертикальные напряжения pz быстро затухают
по глубине толщи. При этом условии создается возможность без чрезмерной
погрешности игнорировать неизбежное влияние природной нагрузки на
величину осадки сооружения. Можно также допустить отсутствие зависи-
мости модуля деформации Е от возникающих в толще нормальных напря-
жений от веса сооружения, иначе говоря, для расчетов можно принять
Е = const. Тогда зависимость относительной деформации или модуля
осадки ер от нагрузки р будет носить линейный характер.
Обратимся к рис. 33-5. Найдем на компрессионной кривой точку а,
отвечающую расчетной нагрузке на грунт в подошве сооружения р0, и
соединим ее с началом координат прямой линией. Эту линию в дальнейшем
рассуждении будем рассматривать как компрессионную кривую.
Напишем выражение для определения модуля осадки epz, отвечающего
напряжению pz.
Очевидно, что pz р0. Найдем ерг из подобия треугольников Ьос и aodr
для чего напишем
, (33-15)
ео Ро
539
(33-16)
где е0— модуль осадки, отвечающий нагрузке на грунт р0.
Отсюда
Вместе с тем осадка d т%с элементарного слоя мощностью dz выразится
как
d^oc = epzdz. (33-17)
В этом случае полная осадка сооружения будет
СО
^ос = epzdz. (33-18)
о
Подставив в выражение (33-18) значение epz из формулы (33-16), получим
СО
4„c = -^-fpzdz. (33-19)
Ро
Обратимся к рис. 33-6, на котором изображены линии 1, 2 и 3 значений
pz в функции глубины z для случая пространственной задачи при загрузке
поверхности толщи по площади прямоугольников с различной вытяну-
тостью:
а
« = —,
b
где b — половина ширины и а — половина длины загруженного прямо-
угольника.
Интеграл в выражении (33-19) представляет собой площадь F эпюры,
ограниченной с двух сторон координатными осями и с одной стороны кри-
вой pz = f (z). Иначе говоря,
со
F = J pz dz. (33-20)
о
Следовательно, из уравнения (33-19) мы получим
= (33-21)
Можно представить площадь эпюры pz =f (z) в виде некоторой равно-
великой площади прямоугольника со сторонами р0 (расчетная нагрузка)
и приведенной эквивалентной глубиной hr..B (см. рис. 33-6). В этом случае в
соответствии с выражениями (33-20) и (33-21)
F == Ро^ЭКБ
и окончательно
^ОС = ^О^ЭКВ • (33-22)
•540
Таким образом, осадка сооружения т%с определяется как результат
перемножения величины приведенной мощности h3KB некоторого слоя грун-
та на модуль осадки е0, соответствующий нагрузке сооружения р0.
Выражение это очень простое
Рис. 33-6. Значение Лэкв в зависи-
мости от различного вида эпюр
р2 = f(z), определяемых соотно-
шением сторон загруженного
участка (пространственная зада-
ча). Цифры на кривых означают
, Но для использования его надо знать
/гэкв. Так как характер эпюры pz—f (z)
зависит от размеров и формы соору-
жения, то, очевидно, будет зависеть
от этих факторов и величина /гэкв.
Представляется возможным выразить
/гэкв в виде функции от b (полуширины
фундамента) и ш (соотношения разме-
ров сторон загруженного участка):
ЬЭКВ=2ЛЬ, (33-23)
отношение длины к ширине за-
груженного участка w =-~
Рис. 33-7. Значение коэффициента А в
формуле по прогнозу осадок малых фун-
даментов
где Л — некоторый коэффициент, зависящий от ш и характеризующий
собой вытянутость загруженного участка.
На рис. 33-7 показана зависимость коэффициента А от со с учетом напря-
жений до глубины, равной 10b. Мы видим, что для случая бесконечной
длины участка (ленточный фундамент) Лет — 1,8; для квадрата Лп =
= 1,1. Остальные случаи занимают промежуточное положение.
В таком случае мы можем переписать выражение (33-22)
^ос 2/ibaQ
(33-24)
541
или, обозначив полную ширину фундамента через В, будем иметь оконча-
тельно в общем виде
т]ос = АВе0. (33-25)
Для ленточного фундамента
^ = 1,85^. (33-26)
Для квадрата
^п = 1ДВе0. (33-27)
Пример. Фундамент 2x3 ж; расчетная нагрузка ррасч = 2,5 кГ!см\
компрессионная кривая по рис. 33-2. Величина соотношения сторон
3 1 с
со = — -== 1,5.
2
По рис. 33-7 для о) = 1,5 находим А = 1,25. По компрессионной кривой
определяем e2j5 =15,5 лшЛи. Тогда vjoc = 1,25-2,0-15,5 =38,7 мм,
или примерно 4 см.
Формула эта удобна для прикидок осадок и более крупных сооружений.
Надо помнить лишь, что в этом случае она будет давать преувеличенные
значения осадок. По чувству опыта и меры здесь приходится вводить по-
правочный коэффициент, всегда меньший 1.
В формульном аппарате механики грунтов имеется ряд зависимостей
для определения конечной осадки т%с различного вида штампов. Большин-
ство этих формул выведено исходя из условия постоянства по глубине z
толщи модулей общей! деформации, т. е. из условия Е = const. Так, на-
пример, осадка поверхности толщи в центре загруженного кругового участ-
ка определяется выражением
_₽«£_ (33-28)
С
Здесь d — диаметр загруженного круга;
С —- так называемый «коэффициент упругого полупространства»,
который определяется выражением
С=——, (33-29)
1 —
где v — коэффициент Пуассона.
Осадка жесткого штампа круговой формы выражается как
т]ос = 0,785-^-; (33-30)
542
то же, квадратного штампа со стороной В
^ = 0.88-^. (33-31)
В заключение отметим, что Н. А. Цытовичем предложен способ расчета
конечных осадок фундаментов на слоистых напластованиях грунтов по
методу эквивалентного слоя, подробно изложенный в его книге «Механика
грунтов».
Некоторые общие выводы из теории осадки сооружений
Анализ условий распределения напряжений в однородной грунтовой
толще, а также рассмотрение характера осадки и деформации реальных
сооружений позволяет сделать ряд общих выводов, имеющих немаловажное
практическое значение. Важнейшие из них, часто вопреки существующим
представлениям, могут быть сформулированы в следующем виде:
1. При всех прочих равных условиях осадка сооружения с увеличением
приложенной к грунту в его подошве нагрузки рс00р возрастает по некото-
рой затухающей криволинейной зависимости, отражающей форму компрес-
сионной кривой.
2. Мощность активной зоны при увеличении размеров и ширины загру-
женного участка в связи с менее интенсивным затуханием возникшего
напряженного состояния по глубине толщи соответственно увеличивается.
3. Осадка больших в плане сооружений при всех прочих равных усло-
виях в связи с возрастанием в этом случае глубины активной зоны оказы-
вается всегда значительнее, чем осадка сооружения меньшего размера.
4. Положение п. 3 сохраняет свою силу лишь при мощности сжима-
емой толщи основания, превышающей мощность активной зоны. При
относительно незначительной мощности сжимаемой толщи осадка сооруже-
ния не зависит от его размеров.
5. Влияние на осадку сооружения слабого слоя, залегающего на некото-
рой глубине в толще основания, более значительно для сооружений с ши-
роко развитой подошвой. Подобное положение вызывается более интенсив-
ным затуханием напряжений по глубине толщи для сооружений меньшего
размера, что может повести в этом случае к исключению из работы слабого
слоя.
6. В определенных условиях осадка сооружения весьма зависит от на-
грузки на смежном участке, что может вести к дополнительной деформации
или к наклону сооружения во внешнюю сторону.
7. Положение п. 6, как следствие закона распределения напряжений
в толще и наложения зон напряжений под смежными частями сооружения,
справедливо лишь при значительной мощности сжимаемого слоя.
8. На некоторой глубине толщи в связи с законом распределения в ней
543
Рис. 33-8. Здание почтамта в г. Бре-
генце:
1— крупный гравий; 2 и 4 — мелкозернистый
песок; 3 — пластичная глина
10. В соответствии с законом
напряжений всякая неравномерность нагрузки выравнивается. Однако
это справедливо лишь для тех случаев, когда мощность сжимаемой толщи
является значительной относительно ширины загруженного участка.
9. При указанных выше условиях и значительной относительно ширины
подошвы сооружения мощности сжимаемой толщи осадка сооружения
зависит лишь от его веса Р в целом, а не только от удельного давления
рсоор по подошве фундамента.
В этом смысле интересным примером может служить осадка здания поч-
тамта в г. Брегенце* (рис. 33-8). Здание почтамта за первые 18 лет своего
существования получило осадку,
превысившую 75 см, при принятом
проектом допускаемом давлении на
грунт 6 кПсм2. Для пресечения
осадки сооружения были приняты
конструктивные меры по уменьшению
нагрузки до 1,2 кПсм2. С этой целью
под сооружение была подведена желе-
зобетонная плита, уширенная кон-
солями. Мера эта оказалась совер-
шенно бесполезной: осадка здания
продолжалась с прежней интенсив-
ностью.
определения вертикальных нормаль-
ных напряжений по горизонтали равномерно нагруженная фундаментная
балка, как правило, стремится изогнуться по кривой выпуклостью вниз.
Максимум осадки при этом совпадает с серединой балки, минимум — с ее
краями, однако и здесь осадка не равна нулю.
11. Указанное в п. 10 положение при жесткости фундаментной балки,
отличной от нуля, приводит к неравномерному распределению контактных
напряжений в ее подошве.
12. При обеспеченной устойчивости и прочности грунтов в основании
сооружений эпюра распределения контактных напряжений в подошве
балки вне зависимости от рода и свойств грунта носит седлообразный ха-
рактер.
13. Седлообразный характер эпюры контактных напряжений приводит
в рассматриваемых условиях к дополнительному воздействию на сооруже-
ние новых изгибающих моментов и поперечных сил. Это особенно важно
для сооружений с относительно малой шириной подошвы.
14. При необеспеченной устойчивости и прочности грунта в основании
сооружения и в особенности в краевых его зонах, что может иметь место в
первую очередь при недостаточном заглублении фундамента сооружения,,
* Proc. Am. Soc. Civ. Eng. May. 1963.
544
неравномерность в распределении контактных напряжений в подошве
сооружения постепенно сглаживается.
15. В случае, указанном в п. 14, эпюра теряет седлообразный вид и
постепенно приобретает параболический характер. Это обстоятельство
Рис. 33-9. Условия работы жестко-
го фундамента при достаточном обес-
печении устойчивости и прочности
грунта в его основании:
а — эпюра нагрузки; б — эпюра р в — ли-
ния осадки абсолютно гибкого фундамента
•л >ч ; г — линия осадки аб-
'ос. макс 'ос. мин
солютно жесткого фундамента; д — эпюра
контактных напряжений
Рис. 33-10. Условия работы жестко-
го фундамента при необеспеченной
устойчивости и прочности грунта в.
краевых зонах:
а — эпюра нагрузки; б — эпюра р \ в — ли-
ния осадки абсолютн о гибкого фундамента;
г — линия осадки абсолютно жесткого фун-
дамента ; д — эпюра контактных напряже-
ний
ведет к некоторому облегчению работы сооружения. Таким образом, здесь
имеет место определенное автоматическое регулирование условий работы
сооружения в положительную сторону.
Поясним последние положения иллюстрациями (рис. 33-9 и 33-10),
на которых рассмотрены условия работы двух одинаковых жестких фунда-
ментных лент шириной 2 Ь, несущих равномерно распределенную нагрузку
18 Заказ № 549
545
р0. В силу симметричности задачи каждая половина балки шириной b
несет нагрузку
Р = р0Ь. (33-32)
В силу тех же условий реакция R будет
R = p = Pob. (33-33)
В обоих случаях фундамент заглублен на глубину Лзагл.
На рис. 33-9, б и 33-10, б изображена эпюра вертикальных сжимающих
напряжений р2 =f(z), действующих на некоторой глубине и определяю-
щих величину и характер осадки т]ос , а также деформацию балки. В со-
ответствии с законом распределения напряжений pz в толще абсолютно
гибкая плита фундамента в первом случае (обеспеченная прочность и устой-
чивость грунта в основании фундамента) испытывает некоторую осадку и
деформируется в соответствии с рис. 33-9, в.
Осадка абсолютно жесткой балки должна быть по всей ширине одина-
ковой (vjoc.cp = const). Это обстоятельство вызывает выравнивание оса-
док по ширине балки (рис. 33-9, г). При этом балка при своей осадке встре-
чает значительное сопротивление от грунта в краевых зонах^ где осадка
^ос.мин <т] ос.ср- Отсюда возникает более интенсивное давление на этих
участках. В связи с этим эпюра контактных напряжений приобретает в
данном случае вид по рис, 33-9, д. Теоретически контактные реактивные
напряжения в краевых зонах должны быть бесконечно большими, что, од-
нако, не соответствует реальной прочности грунта. Грунт здесь несколько
сдает, что и обусловливает окончательный седлообразный вид эпюры кон-
тактных напряжений, отвечающий рассматриваемому случаю.
Равнодействующие реакций R приложены к каждой из частей балок
в центре тяжести каждой половины эпюры контактных напряжений, при-
чем точки приложений реакций несколько сдвинуты к краевым зонам балки.
Отсюда возникает положительный момент, стремящийся еще более интен-
сивно изогнуть балку выпуклостью вниз.
Иначе протекает процесс во втором случае (см. рис. 33-10). Благодаря
недостаточной прочности грунта в краевых зонах и недостаточности мер
по обеспечению его устойчивости грунт в краевых зонах начинает сдавать,
и балка, несмотря на вид эпюры рг, в своей осадке получает изгиб в верх-
нюю сторону (рис. 33-10, в). При выравнивании осадки в подошве жесткой
балки наибольшее сопротивление грунта возникает в центральной части
балки. Отсюда эпюра контактных напряжений получает параболический
вид с вертикальными уступами в краевых зонах, определяемыми величи-
ной рпред, которая может быть воспринята грунтом в этих зонах.
При таком характере эпюры контактных напряжений момент, воздей-
ствующий на фундамент, получит обратный знак, и балка будет иметь
тенденцию изгибаться выпуклостью вверх. Параболический характер эпю-
546
ры возникает при недостаточной обеспеченности устойчивости грунта в
краевых зонах. Это чаще всего имеет место при недостаточном заглублении
фундамента сооружения Лзагл , которое не соответствует свойствам грунта
(ср, с и 7), размерам сооружения 2 b и приложенной к грунту нагрузке р0-
Таким образом, оказывается, что условия работы фундаментной
балки конечной жесткости определяются возможностью развития в их
краевых зонах пластических явлений. При отсутствии этих явлений, (от-
носительно слабая загруженность грунта) необходимо считаться с возмож-
ным влиянием на конструкцию положительных моментов. При значитель-
ном развитии сооружения вопрос теряет остроту.
Следует отметить, что опасность осадки сооружения нередко преувели-
чивается. Как показывает строительный опыт, неравномерная осадка ока-
зывается наиболее опасной при быстром нарастании ее. При медленном
развитии процесса осадки сооружения в ряде случаев как бы приспосабли-
ваются, «вписываются» в фигуру осадки, деформируясь без каких-либо
особых повреждений. В этом отношении весьма поучителен пример осадки
здания горного училища в г. Мехико. Это здание за 300 лет своего сущест-
вования получило осадку в 125 см, причем его края по сравнению с сере-
диной просели на 50 см меньше. Никаких других дефектов в здании об-
наружено не было. Объяснение этому обстоятельству необходимо искать
в ползучести каменной кладки на известковом растворе.
В таком же положении оказались сооружения Свирской гидростанции,
выполненные из армированного бетона: при общей осадке до 30 см и зна-
чительной ее неравномерности сооружения оказались практически без
трещин. Здесь «вписыванию» сооружений в линию осадки способствовали
их громадный собственный вес, наличие швов перевязки бетонных блоков
и пластическая деформация арматуры.
Однако в наш век, когда сооружения возводятся с невиданной до сего
времени быстротой, вопрос об осадке сооружений и ее неравномерности
имеет самое существенное практическое значение.
Вспучивание грунтов за счет разгрузок от веса
вышележащей толщи при вскрытии котлована
Пучение грунта в значительных по площади и достаточно глубоких
котлованах строительной практикой отмечалось неоднократно. Это пучение
возникает за счет разгрузки толщи грунта от веса вышележащих масс, а
также за счет увеличения взвешивающего воздействия подземных вод в
связи с повышением действующих в толще градиентов восходящих фильтра-
ционных потоков. Величина вспучивания зависит от свойств грунта, от
мощности сжимаемой толщи грунта (фактор разгрузки) и от продолжитель-
ности нахождения в открытом и осушенном состоянии. Следует отметить,
что пучение ведет к увеличению предстоящей осадки сооружения (за счет
18*
547
погашения части пучения весом сооружения) и, естественно, к уменьше-
нию сопротивляемости верхних горизонтов толщи на сдвиг и в первую оче-
редь за счет нарушения в грунте жестких структурных связей (сцепление
ос). Характер нарастания пучения во времени и его погашения под весом
возводящегося сооружения иллюстрируется рис. 33-11.
Как это видно на рис. 33-11, процесс на глубине происходит менее
активно, чем в верхних горизонтах. Это обстоятельство в общем случае
является следствием уменьшения относительной величины для более глу-
боких горизонтов и, в частности, за счет тормозящего влияния на большой
глубине веса грунта в бортах котлована. Последний фактор приобретает
особое значение для узких и глубоких котлованов.
Прогноз по пучению принципиально ничем не отличается от расчета
осадок по уплотнению. Для проведения этого расчета необходимо распо-
лагать кривыми, характеризующими величину модуля пучения +^р.пуч
от величины разгрузки грунта (—Ар) при той или иной исходной его на-
грузке. Приведенная ветвь разуплотнения на рис. 9-3 дает представление
(по разности вр) о величине ~Нр.пуч при разгрузке на ту или иную величину
грунта, предварительно уплотненного под нагрузкой р = 7,0 кПсм2.
Для решения рассматриваемой задачи необходимо получить величину
разгрузки—Ар, испытываемой на каждом горизонте zтолщи. В описываемом
методе природная нагрузка рпр определяется с учетом взвешивающего
воздействия грунтовых вод, если они имеются.
По методу автора величина —Ар устанавливается следующим обра-
зом* (см. рис. 33-12). Определяется размер котлована (2 а X 2 Ь). Далее
одним из описанных методов, например по графику «лилий» для простран-
ственной задачи (см. рис. 32-17), для центра и по угловым точкам котло-
вана определяются значения рг от нагрузки р0 - - рпр в уровне дна котло-
вана. Очевидно, что когда мы мысленно «уложим» вынутый из котлована
грунт опять в котлован, в каждой точке по глубине природная нагрузка
должна будет равняться исходной. Следовательно, на каждом горизонте z
РгЩ> Дгкотл Д' Pz (33-34)
ИЛИ
Ргкотл Pz пр ‘~~~Pz‘ (33-35)
В этих выражениях ргкотл — нагрузка, устанавливающаяся на данном
горизонте z в толще после вскрытия котлована.
Отсюда величина разгрузки для каждого горизонта будет определяться
найденной описанным выше образом величиной pz
-bpz=pz. (33-36)
*, Н. Н. Масло в. Прикладная механика грунтов, 1949, стр. 204.
548
Рис. 33-11. Пучение дна котлована при его вскрытии и осушении и погашение пучения с
началом укладки бетона
вспучивание края
котлована ™
3,7-4=14-,8Сг\
'^0-4 =8,0 ,Г7
3,5 8=4,0
0,2 18=3,6
0.2 32=6.4
0,3-
в,5
0,2'
0,2
0,258=V3,6
Силовая станция
Напряжения в грунте
И6,0.
100
О 2 4 6 8 1в
0 2 4 6 8 10
Всего 50,4-мм
Вспучивание по
краю котлована
„с 2,5 4-10
1,3-4 =5,2
0,4 -8 = 3,2
0,4
0.3
0,2
0.2 32=6.4
0.1-68 -6,8
Всего 37мм
и,Ч- О ~ J..L
0,3-18=5.4
0,1
Рис.
Вспучивание по оси, котлована
5,2
3,0
/5
0.6
0,5
0,1
0,2 68=13,6
Всего 85,2 мм
5.2 4*20,8
3.0 4*12,0
1,5 8=13,0
"0,6 18=10.8
0,5 32=16.0
Плотина
Напряжения в грунте
0 2 4 6 8 Ю 0 2 4 6 8 10
Вспучивание по оси
котлована
0,3
а
3.0
$
в.з-
0,3
0,2 68=13,6
1,9-4=7.6
8-0,5 = 4,0
^0,3-18=5,4
0,3 32=9,6
Всего 52.2 мм
33-12. Расчетные данные по пучению дна котлована (в условиях численного при-
мера)
а — давление на грунт от вышележащих слоев грунта с учетом взвешивающего влияния напорной
ЛИНИЯ < г, ___ __ - _____________________FJ____- j_______ _____________
воды до отрывки котлована;. [Ь — то же, после отрывки котлована; (а — Ь) — снимаемая нагрузка для дна
котлована; (д' — &') — снимаемая нагрузка по краю котлована
Тогда пучение (4-А^пучв.) для некоторого расчетного слоя малой мощ-
ности ht будет
Л-%уч.; = Н-е/Л- (33‘37)
Пучение всей толщи в целом определится выражением
+^y4 = S'(+AV-..-) =£(+<т,Л)- (33-38)
ГЛАВА 34
ПРОГНОЗ ОСАДКИ СООРУЖЕНИЯ ВО ВРЕМЕНИ
Случай уплотнения однородной толщи. Как отмечалось выше, основную
роль в осадке сооружения при обеспеченной устойчивости грунтов в его
основании играет процесс их уплотнения под воздействием веса соору-
жения.
Вопрос об условиях уплотнения грунтов под нагрузкой во времени был
специально рассмотрен в гл. 24 настоящей книги. Соображения, приве-
денные в указанной главе и касающиеся природы и процесса уплотнения
грунтов под нагрузкой во времени, справедливы и в отношении проявле-
ния во времени осадки сооружений. Сохраняют, в частности, полную силу
замечания, касающиеся оценки роли ползучести и фильтрационной дефор-
мации в консолидации глинистых грунтов посредством изучения величины
показателя консолидации п. Справедлив и вывод об определяющей роли
в скорости уплотнения, а следовательно, и в быстроте нарастания осадки
сооружений, коэффициента фильтрации уплотняющихся грунтов (пря-
мая пропорциональность) и мощности Н обжимаемого слоя (обратная квад-
ратичная пропорциональность), а также условий его дренирования.
Сохраняют полную силу и все приведенные выше формулы для опреде-
ления расчетных коэффициентов и параметров консолидации, а также сам
теоретический аппарат по прогнозу условий развития рассматриваемого
процесса, в частности роли в этом прогнозе коэффициента во времени £7вр.
Располагая значением UBp и его зависимостью от фактора времени Твр
вопрос об осадке сооружения на тот или иной период времени Т можно
решать по следующей зависимости:
%с. Т %с. кон^вр ’ (24-1)
гдет^ос.кон — конечная осадка сооружения, отвечающая полному уплотне-
нию грунтов в его основании.
Условия прогноза процесса осадки сооружения во времени на основе
этой зависимости лучше всего уясняются на численном примере.
1 551
Пример. Основание проектируемого сооружения значительных
размеров сложено хорошо дренирующими среднезернистыми песками,
прослоенными на некоторой глубине пластом мягкой пластичной глины
мощностью 2Н = 2,5 м, залегающей ниже уровня грунтовых вод. Сред-
ний объемный вес толщи, в некоторой своей части, взвешенной грунтовыми
водами, 7ср =1,35 Т1м2, природная влажность грунта аипр =30%; его
удельный вес 70 = 2,7 77ж3. Коэффициент фильтрации глинистого грунта
Кф = 5-10-9 см!сек. Вертикальное нормальное напряжение в уровне зале-
гания рассматриваемого пласта pz = 1,25 кГкм2. Модуль осадки при на-
грузке pz = 1,25 кПсм2 характеризуется значением elj25 = 22 мм/м. Тре-
буется построить в условиях одномерной задачи кривую хода осадки щОс.т
сооружения во времени за счет фильтрационной консолидации заданного
глинистого пласта.
Решение задачи необходимо начать с установления величины полной
конечной осадки сооружения 7;0С.К0Н за счет уплотнения глинистого пласта
мощностью 2Н =2,5 м. Определим т]ос.кон по элементарной формуле
^ос.кон ephf
В данном случае вр' = 22 мм!м и h-L = 2Н = 2,5 м. Тогда т/ос>кон = 22х
Х2,5 = 55 мм, или 5,5 см.
Для решения задачи во времени определим прежде всего по формуле
(24-11) величину коэффициента консолидации cv
(14* еср)
Су = ’
Найдем значения величин, входящих в эту формулу. Коэффициент по-
ристости еср, соответствующий исходной (природной) плотности грунта,
найдем по выражению (9-3) ,
епР = То^пр = 2,7 • 0,3 = 0,81.
Определим величину коэффициента пористости sp, отвечающую нагруз-
ке на пласт р2 = 1,25 кГ/см2, по формуле (9-27)
_____ gp(! + £nP) ^ 0 81 22 (1 + 0,81) _ Q 77
1000 ’ 1000
коэффициент пористости еср по выражению
= ^пр 4* tp = 0,81 + 0,77 = 0 79
+ Snp
Определим средний
еср
Найдем коэффициент уплотнения а по выражению (9-6)
552
В данном случае ej = snp = 0,81; г2 = ер = 0,77; pi = рпр (природной
нагрузке от веса перекрывающей толщи); р2 = рпр + pz.
Отсюда
(Р2 ~ Pi) = [(Рпр + Р2) — Рпр] = Pz • (34-2)
При этом условии коэффициент уплотнения а определится из выражения
епр гр
а =----------,
Pz
т. е. в наших условиях
0,81 — 0,77 __n 2 / г1
а = ------------— = 0,032 см2 кГ.
1,25
(34-3)
Коэффициент фильтрации породы задан в виде Кф = 5 • 10-9 см/сек.
Переводя его в см/год, будем иметь
Кф = 5 • 10-9 • 86400 • 365 = 0,16 см/год.
Теперь мы располагаем всеми данными для определения коэффициента
консолидации cv по выражению (24-11)1
= 0,16(1 + 0,79) = 946() см2/год^
v 0,032-0,001
Напомним выражение (24-16) для определения величины обобщенно-
го коэффициента консолидации
7 к
Ср
Согласно условию задачи дренирование обжимаемого пласта осущест-
вляется в обе стороны (вверх и вниз). В силу этого расчетное значение Н
в условиях примера равно половине мощности слоя, т. е. Н = 1,25 м,
или 125 см. Тогда по выражению (24-16)
_ _946°. _Q 6Q6 год-1, или 0,05 мес-1.
к 1252
Определим время практической стабилизации осадки 7стаб по зависимо-
сти (24-18)
Тстаб = = 22,6 мес.
ст 0 Ск о,О5
Далее надлежит обратиться к графику рис. 24-3 или к табл. 22.
Найдем по выражению (24-10) значение числа N для различных Т.
л/ = 7:2 . -Cv Т
4 Н*
553
Вспомним, что по выражению (24-16)
Тогда
N = —zKT
4 к
или для нашего случая
N = — • 0,057 = 0,1257.
А
(34-4)
(34-4Л)
Далее, задаваясь рядом значений 7, начиная с 0 и до 7 = 7стаб =
22,6 м, находим по выражению (34-4') отвечающие этим временам
значения коэффициента времени £/вр. . Для нашего примера найдем
величину. (7вр для 7 = 2,5 мес.
В нашем случае N = 0,125х
\2,5 =0,31. По рис. 24-3 или
Рис. 34-1. Нарастающая осадка сооружения
во времени
табл. 22 для N =0,31 находим
1/вр =0,40. Тогда пр выраже-
нию (34-1) осадка сооружения
на время 7 =2,5 мес. будет
7joc. г= 0,40-5,5 =2,2 см.
По численному примеру со-
ставлен график нарастания осад-
ки сооружения во времени (рис.
34-1). Характер кривой т]ос. т =
= / (7) на этом графике весьма
типичен.
Напомним, что механика грунтов располагает рядом формул для про-
гноза осадок сооружений в условиях переменного значения напряжений
pz в пределах рассматриваемого слоя. Принцип использования этих фор-
мул остается прежним.
Выше в табл. 22 приведены данные для определения расчетных харак-
теристик для случая изменения напряжения рг с уменьшением его по глу-
бине г толщи по закону треугольника. Для этого случая период стабили-
зации осадка 7стаб подлежит установлению по формуле (24-20) при числе
N = 2,54, т. е.
Т л = ~~ • 2,54—^— или 7 . « —— .
стаб 2 ’ 7 стаб г
к к
При необходимости учета в рассматриваемой задаче постепенного роста
нагрузки на грунт в процессе возведения сооружения его осадка vircTp на
конец строительного периода 7стр может быть приближенно определена
исходя из следующего условия.
554
Осадка т]Тстр равна осадке сооружения на время, равное половине стро-
ительного периода, т. е. 1/2 Тстр при ее определении исходя из величины
полной конечной нагрузки (р0) на грунт, отвечающей весу законченного
сооружения*.
Имеются также предложения по прогнозу уплотнения толщи грунтов
и определения осадки сооружения во времени в условиях плоской и трех-
мерной задач. Из-за их громоздкости, а также условности ряда сделанных
допущений эти методы теряют много в своей практической ценности и не
находят сколько-нибудь широкого применения в проектной практике.
В заключение необходимо отметить, что Н. А. Цытовичем разработан
приближенный способ прогноза затухания осадок фундаментов во времени
по методу эквивалентного слоя**.
Случай уплотнения толщи основания, включающей несколько пластов.
Прогноз осадки сооружения во времени при залегании в его основании не-
скольких пластов пород с различными показателями принципиально наи-
более просто выполняется с использованием выражения (24-25):
'Р __ J. / ^сл
1 ел on I L / ’
\ ЛГОП /
Здесь Тсл и ton — соответственно длительность уплотнения грунта в слое
мощностью Ясл и в образце высотой Лоп.
п — показатель консолидации, устанавливаемый путем ис-
пытания в лаборатории образцов различной высоты по за-
висимости (24-25) в диапазоне своих значений 0 п 2.
Решение задачи начинается с выявления в толще песчаных прослоев,
способных представить собой дренажные пути для отвода воды, отжимае-
мой из глинистых пластов при их уплотнении под нагрузкой. Далее под
соответствующими номерами (/, II, III и т. д.) выделяются все глинистые
пласты, определяется их мощность Яь Я2, Я3 и т. д. и глубина залегания.
Эти пласты и будут в основном определять осадку сооружения и время ее
завершения. Обычным путем производим подсчет частной конечной осад-
ки уплотнения т]ос. z каждого из выделенных слоев, рассматривая каждый
слой как расчетный. Тогда полная, конечная осадка сооружения определится
как сумма частных осадок, т. е.
1loe.K»» = S7loc.,' • <34’5)
По компрессионным кривым образцов, взятых из всех глинистых слоев,
определяем время tt протекания уплотнения образца в пределах нагрузок
от рпр до (рпр + рг). Затем определяем время полной осадки сооружения за
* В. X о у. Инженерное грунтоведение (пер. с англ.). Стройиздат, 1966.
** Н. А. Ц ы т о в и ч. Механика грунтов.
555
счет каждого пласта путем сопоставления их мощности с высотой образ-
цов hL, испытанных в лаборатории. При этом используется известное нам
уже выражение (24-25). Допустим для примера, что на основании испыта-
ния длительности уплотнения образцов различной высоты по зависимости
(24-5) установлена величина показателя консолидации п = 1,5, что очень
часто имеет место в действительности. Для этого случая выражение (24-25)
примет такой вид:
Тг = <,.Г-^-Г’6. (34-6)
Здесь 7\ — время, потребное для полной стабилизации за счет данного
слоя;
Яг и hL — толщины слоев грунта и высота взятых из них образцов в см
или м;
tL — продолжительность стабилизации осадки образца при испыта-
нии в лаборатории.
Общая длительность осадки всего сооружения в целом будет соответст-
вовать Ti макс, т. е. той длительности, которой будет отличаться слой с наи-
более замедленным ходом уплотнения:
Рис. 34-2. График течения компрессионного опыта во времени
Далее определяем осадки сооружения через некоторый интересующий
нас отрезок времени Т, меньший Т^макс. Вычисляем, какую часть общего
времени полной осадки каждого слоя Т- составляет время Т. Затем по гра-
556
фикам компрессионных кривых для образцов грунта из каждого слоя,
построенным подобно изображенному на рис. 34-2, по части Т\ устанавли-
ваем осадку sz за счет каждого слоя через время Т как часть полной осадки
'Чое.кон- Тогда общая осадка сооружения за время Т, естественно, выразится
как сумма всех частных осадок, т. е.
у10с.т = si + s2 + 5з + • • • + • (34-8)
ГЛАВА 35
ЧАСТНЫЕ СЛУЧАИ ПРОГНОЗА ДЕФОРМАЦИЙ ОСНОВАНИЙ
И ОСАДОК СООРУЖЕНИЙ
Деформация грунтов при кратковременном и многократном приложении
нагрузок. В предшествующих главах вопрос о деформации толщи основа-
ния и осадке сооружений рассматривался в его «чистом» виде, исходя из
обычных и нормальных условий работы сооружения. Вместе с тем, как пока-
зывает практика эксплуатации многих сооружений, их работа часто ос-
ложняется воздействием на толщу основания многообразных факторов, до
сих пор ускользавших от нашего внимания. Некоторые из этих вопросов за-
служивают внимания с принципиальной стороны и подлежат рассмотрению.
К их числу должен быть отнесен вопрос об условиях уплотнения грунтовой
толщи, подвергающейся кратковременным и многократно повторяющимся
нагрузкам. Особое значение этот вопрос приобретает для дорожной прак-
тики, так как дорожное полотно и мостовые сооружения подвергаются
повторным нагрузкам только в течение года много десятков и даже сотен
тысяч раз.
Отсюда сразу же возникает вопрос о деформации и осадке в подобной
обстановке мостовых опор. При решении этого вопроса следует считаться
с указанным выше фактом, что в статических условиях деформация уплот-
нения глинистых грунтов требует во многих случаях весьма длительного
времени, необходимого для оттока из уплотняющихся масс воды. В данном
случае такие условия исключаются. И если после многократного прило-
жения к полностью водонасыщенному глинистому грунту кратковременно
действующих нагрузок замечается некоторое уплотнение грунта, характе-
ризуемое уменьшением его влажности, то объясняется это явление осо-
быми причинами*. Первая из них — динамический характер нагрузки,
при которой создается особенно благоприятная обстановка для разруше-
ния действующих в грунте жестких структурных связей сс и природных
структур.
* Г. С. к а н а я н. Компрессионное уплотнение грунта под воздействием много-
кратно повторяющихся кратковременных нагрузок. Сб. 7, ВНИИГ, Конференция
молодых специалистов, 1966.
557
Другая причина более сложна по своей природе и связана с практи-
чески мгновенным упругим сжатием грунтового скелета и воды, заклю-
ченной в порах породы под воздействием динамической нагрузки. При этом
условии даже весьма кратковременное приложение нагрузки приводит в
результате микросдвигов к сближению частиц, слагающих породу, с
возрастанием действующих между ними связей. Благодаря этим вновь
?,мм/м о го Со а -съ а са> са Рстат = 9,0к[/смг - 3 0кГ/пм7 О -1 П ' t.-l Ггрк
Ркрат -1 ~ • •1 ” 'f
Модуль осадки Д £ > са са с
Ха х • *+
Хе • >ч- • • X • Л
•. 9 г* ®х • Л/
и 900 1800 1700 3600 9500 5900 6300 7200 Число приложений краткодременной нагрузки + v = ЗОприл/мин х v -15 прил/мин • дополнительная статическая нагрузка
Рис. 35-1. Опыты Г. С. Канаяна для выявления условий уплотнения водонасы-
щенного суглинка с нарушенной структурой под дополнительной кратко-
временной динамической нагрузкой
возникшим связям в толще грунта создается некоторое напряженное со-
стояние, относительно медленно рассасывающееся и достаточное для по-
буждения отхода из грунта воды в более поздние сроки.
Своими опытами Г. С. Канаян (МАДИ) показал, что деформация грунта
в рассматриваемых условиях при цикличных кратковременных нагрузках
(/ = 0,2; 0,5 и 1,0 сек) носит в той или иной мере упруго-остаточный харак-
тер в зависимости от состояния грунта (рис. 35-1). Весьма важно отметить,
что даже при значительной плотности водонасыщенного грунта (в условиях
опытов по рис. 35-1 грунт предварительно уплотнялся под нагрузкой р =
= 4,0 кГ/см2) в процессе накопления числа опытов шло непрерывное, все
прогрессирующее его уплотнение. Величина достигнутого при некотором
числе приложенных нагрузок уплотнения грунта (по модулю осадки е ,
мм/м) оказалась при этом практически одинаковой с уплотнением, достиг-
нутым под статической нагрузкой той же величины, действовавшей столько
558
же времени, как и динамическая нагрузка. в сумме своих приложении.
Этот вывод является весьма ценным, так как на его основе возникает воз-
можность проведения соответствующих прогнозов.
Применительно к воздухосодержащим глинистым грунтам, т. е. при
наличии в порах грунта воздуха или другого газа, протекание описанного
процесса в связи с высокой сжимаемостью газа ускоряется и в количествен-
ном выражении уже сдерживается лишь вязкостью грунта. Характер воз-
растания деформации сжатия глинистого грунта при повторных нагрузках
виден из рис. 35-2. График показывает постепенное уменьшение прираще-
ния величины как остаточных, так и упругих деформаций, ,от каждого
повторного цикла нагрузки—разгрузки. Это явление находит объяснение в
559
из комьев породы теми или иными машинами. В этом процессе существен-
ное значение приобретает вопрос о прочности породы в комьях при той
или иной степени ее увлажнения.
Учет анизотропии грунтовой толщи. Анизотропия толщи основания
сооружения возникает в условиях тонкого ее переслаивания разнородными
грунтами как следствия особых фациальных условий накопления толщи.
Часто толща, сложенная более прочными породами, переслаивается тон-
кими прослоями более слабых грунтов (торфа, мягких пластичных глин).
Бывает и обратная картина: когда толща грунтов повышенной сжимае-
мости переслаивается более жесткими прослоями (например, песчаников
и мергелистых глин в глинистой толще). В общем случае анизотропное
строение толщи не может не сказаться на формах ее напряженного состоя-
ния, возникающего под внешней нагрузкой, однако учет этого фактора
при прогнозе осадок и деформаций сооружений, как показывает анализ,
оказывается достаточно сложным.*
Напряженное состояние в анизотропной толще зависит от ориентации
направления линий действия сил относительно осей анизотропии. Макси-
мальные напряжения в своей ориентации не совпадают ни с направлением
действия сил, ни с направлением максимальных деформаций.
Все эти условия в сильнейшей степени осложняют расчеты и приводят
к необходимости выполнения многих трудоемких вычислительных операций.
Вместе с тем обширными исследованиями в период 1929—1934 гг., выпол-
ненными на Свирьстрое, была доказана малая значимость тонкого переслаи-
вания глин песками и песчаниками в законе распространения напряжений
по глубине толщи. М. А. Био подтвердил этот вывод исходя из теоретичес-
ких соображений. Им было установлено, что фактор тонкого переслаивания
глинистой толщи песками ведет лишь к весьма незначительному ускорению
погашения напряжений по глубине толщи (до 6%).
В силу отмеченных выше условий анизотропия толщи при изучении ее
напряженного состояния для прогноза деформации и осадок сооружений
обычно не учитывается. Вместе с тем при прогнозах осадок сооружений в
условиях трехмерной и двухмерной задач учет различной сжимаемости
* С. Г. Ляхницкий. Некоторые случаи плоской задачи теории упругости
анизотропного тела. Сб. «Экспериментальные методы определения напряжений и
деформаций в упругих и пластических зонах». Л., 1935; А. П. К л е в е з а л ь. Ани-
зотропия грунтов. Сборник трудов МИИКС. Вып. III, Изд. Наркомхоза, 1935; А. В.
Степанов. Причины особенностей разрушения упругоанизотропных тел. «Из-
вестия АН СССР». Серия «физическая», т. XIV, 1950, № 1; Л. П. И о р т а е в.
Расчет балок на анизотропном грунтовом основании. Труды Московского института
инженеров городского строительства. Строительная механика. Сб. 8, Госстройиздат,
1958; К. К. Т у р о в е р о в. К вопросу исследования напряженного и деформиро-
ванного состояния слоистого полупространства. Научные труды ЛТА № 94, 1962;
Г. К. К л е й н. Справочник проектировщика, разд. 20. Механика грунтов. Госстрой-
издат, 1960.
560
толщи по вертикальной и горизонтальным осям может быть в необходимых
случаях легко осуществлен через показатели ерх и указанным выше
образом (см. гл. 33).
Учет пластового строения толщи. Во многих случаях, в особенности
при достаточном развитии размеров сооружения в плане, в рабочую зону
основания оказываются втянутыми пласты с различной сжимаемостью. Это
обстоятельство не может не отражаться на величине предстоящих осадок
сооружения и при определенных условиях требует учета в расчетах.
Простейший случай в этом плане касается вопроса о распределении дав-
лений в двухслойном, основании*. В рассмотренной К. Е. Егоровым задаче
принимается, что мощность верхнего (покровного) пласта ограничивается
некоторой величиной А, а подстилающий пласт простирается в глубину
толщи безгранично. Оказывается, что в рассматриваемом случае физичес-
кие свойства двухслойного основания должны характеризоваться следую-
щими параметрами:
где Е2 и v2— соответственно модули общей деформации и коэффи-
циенты Пуассона верхнего (1) и нижнего (2) слоев.
Получаются сложные интегральные выражения, решение которых воз-
можно лишь приближенно. Автором решения задачи дана вспомогатель-
ная таблица, позволяющая определить величины сжимающих напряжений
pz для рассматриваемого случая на той или иной глубине z толщи.
В дорожной практике широко используется в рассматриваемых целях
приближенный метод эквивалентного слоя, предложенный проф. Г. И. Пок-
ровским. Сущность этого метода заключается в следующем. Прогибы двух
балок, лежащих на грунте и одинаково нагруженных, будут равны лишь
при условии, если их жесткости будут также равны, т. е.
Е111 = Е212. (35-2)
Только при соблюдении этого условия давления на грунт в подошве этих
балок в месте приложения нагрузок окажутся равными. Известно, что для
балки прямоугольного поперечного сечения момент инерции
ВН3
12
(35-3)
Подставив значение / из выражения (35-3) в выражение (35-2), после
соответствующих преобразований получим
* К. Е. Егоров. Сб. № 9 НИС Фундаментстроя, 1938.
561
где Hi, Н2 и Ei, Е2— соответственно мощности и модули деформации обоих
слоев (1 и 2).
Таким образом, задача о распределении напряжения в двухслойном
основании может быть решена при условии соответствующего изменения
мощности Hi покровного слоя с заменой ее эквивалентной мощностью
Яэкв, определяемой по выражению (35-4), которое для данного случая
примет вид
(35-5)
Это положение иллюстрируется ]
нимается, что покровный слой (1)
Рис. 35-3. Расчетная схема для двухслой-
ной системы (метод эквивалентного слоя)
ис. 35-3, причем в данном случае при-*
обладает меньшей сжимаемостью.
Далее определение вертикаль-
ных нормальных напряжений для
той или иной глубины z подсти-
лающего слоя в уровне А А произ-
водится обычным путем, т. е. при-
нимая
= " + (35-6)
Проф. Н. Н. Иванов на основе
опытных данных рекомендует для
дорожных одежд следующую ви-
доизмененную формулу:
25 Г———
, (35’7>
где £од и £гр — соответственно модули деформации дорожной одежды и
подстилающего грунта;
Н — толщина одежды.
В некоторых случаях необходимо оценивать предстоящую осадку соору-
жения в условиях многослойного основания, сложенного из пластов значи-
тельной, часто различной мощности двух сменяющих друг друга разностей
пород, например глин и песчаников (частный случай). Кроме того, нередко
толща может оказаться в нарушенном виде, когда пласты приобретают на-
клонное залегание, характеризуясь некоторыми углами падения. Для прог-
ноза деформации такой толщи может быть использован метод фиктивных
глубин гфикт и переходных коэффициентов /г*.
Анализ вопроса показывает, что при падении пластов с углом 45° рас-
чет напряжений может выполняться обычным образом. При более крутом
* Н. Н. Маслов. Прикладная механика грунтов, 1949, стр. 192—198.
562
Z
Рис. 35-4. Влияние
подстилающей скалы
на распределение в
толще вертикальных
нормальных напря-
жений рг (по оси на-
грузки)
падении пластов мы будем иметь более высокие значения pz по глубине,
чем для случая однородного строения, толщи. Этот случай может быть упо-
доблен более концентрированной передаче давления от фундамента на более
глубокие горизонты при посредстве висячих свай.
При угле падения пластов меньше 45° будет иметь место обратная кар-
тина: напряжения по глубине будут затухать быстрее и pz по глубине будут
меньше, чем в условиях однородной толщи (более
твердые слои играют роль распределительных плит).
Нарушение залегания пластов в основании соо-
ружения всегда приводит к осложнению условий его
работы. Так сооружение может оказаться располо-
женным в разных своих частях на различных поро-
дах, пласты которых могут характеризоваться раз-
личной сжимаемостью. Это может привести к нерав-
номерной осадке сооружения в его различных частях,
а отсюда к деформации его в условиях, невозможных
при горизонтальном залегании пластов. Вместе с тем
следует отметить, что наклонное залегание пластов
обычно связано со складчатыми сооружениями (в ге-
ологическом смысле), и пласты пород при этом час-
то оказываются в той или; иной степени метаморфи-
зованными. В таких условиях породы обычно харак-
теризуются повышенной плотностью и прочностью,
что ведет к ослаблению отмеченных выше неблагопри-
ятных условий.
Учет залегания на некоторой глубине несжимае-
мого слоя. Наиболее полно настоящий вопрос рас-
смотрен в работе К. Е. Егорова и И. Совинц*. Ока-
зывается, что наличие скалы на некоторой глубине
сжимаемой толщи приводит к концентрации напря-
жений в пределах этой толщи, т. е. к соответствующему повышению вели-
чины вертикального нормального напряжения ргск.
Для иллюстрации возможного влияния на распределение напряжений
pz по глубине толщи при подстилании ее скалой приводится график
(рис. 35-4). На графике даны линии pz =f(z) при залегании скалы на глу-
бине Ъ (половина ширины загруженного участка), 2Ь и 56. Для сопостав-
ления на графике пунктиром дана линия измерения pz по глубине z для
однородной толщи. Из этого графика явствует, что концентрация напряже-
* К- Е. Егор о в. Распределение напряжений и перемещений в двухслойном
основании ленточного фундамента. Труды НИС треста глубинных работ. Сб. 10,
1939; F. S о v i п с. Proc, of the 5 Intern. Conf, on Soil Meeh, and Found. Eng. 3A/44.
Paris, 1964.
563
ний pz по сравнению с однородной толщей в данном случае увеличивается
с уменьшением относительной глубины залегания скалы.
Относительное увеличение pz на контакте со скалой под осью равно-
мерной нагрузки будет тем больше, чем больше отношение мощности сжи-
маемого слоя h к ширине плиты 26, т. е. чем глубже залегает скала. Так,
если скала залегает на глубине:
z= Ъ р2ск=Ь25рг однородного грунта
z = 2Ь р2 ск = 1,38р2 » »
z = 5b pz ск = 1,44рг » . »
Вопрос о необходимости учета искажения, вызываемого скалой, разре-
шается в зависимости от того, с какой глубины это искажение достигнет
заметной величины. На больших глубинах напряжение, вызванное весом
сооружения, настолько мало, что относительное увеличение этого напря-
жения даже на 20—40% будет иметь ничтожно малое значение в сравнении
с царящими здесь большими природными напряжениями и практически не
скажется на сжатии грунта и без того сильно уплотненного природной на-
грузкой.
На малых глубинах имеет место обратное явление: напряжения, вызван-
ные весом сооружения, велики, однако относительное их увеличение столь
незначительно, что лежит в пределах точности подсчета. Расчет произво-
дился нами для осевой вертикали. В стороне от оси увеличение напряжения,
вызванное скалой, будет меньше и на некотором расстоянии от оси сделает-
ся равным нулю, а на больших расстояниях — даже отрицательным.
В заключение отметим, что теоретическое решение рассматриваемой за-
дачи об определении деформации уплотнения грунта как упругого слоя
конечной толщины, опирающегося на несжимаемое (скальное) основание,
получено впервые М. И. Горбуновым-Посадовым*.
Прогноз наклона единоцельного сооружения башенного типа. В ряде
случаев возникает необходимость прогноза возможного наклона сооруже-
ний башенного типа (мостовых речных опор, береговых устоев, башен
различного типа и назначения, маяков, труб и т. д.). Наклон этих соору-
жений может быть вызван двумя причинами:
1) неоднородным строением толщи основания сооружения с наличием
с одной стороны фундамента пласта более сжимаемой породы;
2) внецентренным приложением нагрузки в подошве фундамента, как
следствие действия некоторого момента.
Для оценки возможного наклона сооружения в первом случае (неодно-
родность основания) описанным выше способом должна быть определена
* М. И. Горбунов-Посадов. Осадки фундаментов на слое грунта,
подстилаемом скальным основанием. Стройиздат, 1946.
564
осадка толщи в пределах фундамента сооружения не менее чем потрем верти-
кальным створам — I, II, III (два створа по краям фундамента, один в его
центре). Расчет осадок по этим створам, естественно, ведется применитель-
но к характеризующему их геологическому строению с учетом сжимаемости
залегающих здесь пород. По полученным значениям осадок тд , тщи тдц стро-
ится линия осадок. Учитывая жесткость сооружения, линия осадок осред-
няется соответствующим спрямлением ее. Полученный наклон линии изме-
ряется и относится к высоте сооружения.
При внецентренном приложении на-
грузки вопрос решается в таком же пла-
не, однако определение напряжений по
глубине толщи основания ведется с учетом
нагрузки на поверхности толщи по закону
трапеции. В данном случае полезно при-
менить принцип наложения напряжений
(нагрузка по закону прямоугольника и
треугольника).
Вопросами прогноза наклона сооруже-
ний занимались М. И. Горбунов-Посадов,
В. А. Гастев и другие советские ученые, в
свое время предложившие для этого слу-
чая расчетные формулы.
Рис. 35-5. Расчетная схема для
прогноза наклона сооружения
При относительно небольших в плане размерах сооружений представ-
ляется возможным принять сжимаемость грунта по глубине постоянной
(Е = const). В этом случае (рис. 35-5) для определения наклона соору-
жения^может быть с успехом использована формула К. Е. Егорова*.
tgp=4-> ЛА- • — р- <35-8)
Для абсолютно жесткого круглого фундамента имеем (СНиП II-Б.
1-62 п. 5-21)
tg? = 3(1~X)Pe. (35-8')
В этих формулах Р— сосредоточенная сила, кГ;
х и е — эксцентриситеты, см;
b — полуширина ленточного фундамента, см;
v —коэффициент Пуассона;
Р — угол наклона подошвы фундамента к горизонту,
град;
г— радиус фундамента, см.
* К. Е. Егоров. Распределение напряжений в основании жесткого ленточ-
ного фундамента. Сб. НИС Фундаментстроя, 1938, № 9.
565
Отсюда отклонение s вершины сооружения высотой Н от вертикали
будет
s = /Ztgp (35-9)
Известна также формула Н. В. Лалетина*
= (35-10)
Здесь В =2Ь (т. е. В — полная меньшая ширина фундамента прямоуголь-
ной формы), см;
е — эксцентриситет, см;
s — осадка фундамента, см;
А —безразмерный коэффициент, зависящий от формы (вытянутости)
фундамента и определяемый по специальной таблице.
Вместе с тем крен сооружения может быть определен по трапецеидаль-
ной эпюре распределения давления в подошве сооружения по осреднению
величин осадок сооружения для его оси и краев, подсчитываемых обычным
образом, например, с использованием модуля осадок е .
В заключение необходимо предостеречь от часто встречающейся ошибки,
когда наклон тех или иных конструкций определяют по краевым напряже-
ниям в подошве фундаментов (через коэффициент постели), не учитывая обя-
зательного распределения и выравнивания давления на грунт по глубине
толщи.
* Н. В. Л а лети н. К вопросу о расчете крена сооружений. Вестник трудов
ВИА, 1959, № 149.
ЧАСТЬ X
ОСОБЫЕ ФОРМЫ ДЕФОРМАЦИИ ГРУНТОВОЙ ТОЛЩИ
И СВЯЗАННЫХ С НЕЙ СООРУЖЕНИЙ
ГЛАВА Зв
ОСОБЫЕ УСЛОВИЯ ДЕФОРМАЦИИ
Строительная практику со всей очевидностью свидетельствует о том, что
вопрос о деформации грунтовой толщи и связанных с ней сооружений не
может быть исчерпан рассмотрением лишь фильтрационной консолидации
грунтов в их основании под воздействием нормальных напряжений от веса
сооружения. В осадке и в деформации сооружения очень часто превалирую-
щее значение приобретают пластические деформации в его основании, вы-
званные касательными напряжениями. Обычно очень трудно избежать воз-
можность появления в основании в условиях работы его во второй фазе ло-
кальных сдвигов и связанного с ними отдавливания грунта в краевых зонах
фундамента или сооружения. При этом условии часто неизбежна значитель-
ная по величине и неравномерности осадка сооружения. Естественно, что
подобные явления особенно резко проявляются при наличии в основании
слабых болотных грунтов.
Строителям нередко приходится возводить насыпи на заболоченных и
просто болотистых участках. Особенно часто такая обстановка имеет место
на поймах рек, где на трассах мостовых переходов нередко приходится про-
ектировать и возводить высокие насыпи (рис. 36-1). Проектирование насы-
пей в этих условиях должно вестись обязательно с учетом возможности рез-
кой просадки и деформации насыпи (рис. 36-2).
Изменение высотного положения сооружения и их осадка в связи с из-
менением уровня поверхностных и подземных вод, естественно, связаны с
наблюдаемым при этом повышением и понижением давления на грунт. При
повышении уровня воды, например в водотоке, и слабой водопроницаемости
пород, слагающих его дно, или подстилающих пластов мы во всех случаях
сталкиваемся с увеличением давления на грунт и дополнительной осадкой
мостовой опоры и наоборот.
Очевидно, что повышение или понижение уровня воды в водоеме на 1 ж
влечет за собой изменение давления на 0,1 kFIcm2. Вместе с тем колебание
уровня воды в водотоке в связи с сезонными причинами может нередко изме-
ряться несколькими метрами или даже десятками метров (до 40 м на р. Янц-
зыцзян, Китай, 1931 г.).
Сжимаемая толща в основании мостовых опор часто отличается значи-
тельной мощностью и малой плотностью. При этом условии дополнительная
осадка моста при паводке может оказаться вполне ощутимой и в ряде слу-
567
чаев существенной для сооружения, впервые воспринимающего нагрузки в
таких условиях. Следует при этом отметить, что осадка здесь возрастает еще
и по той причине, что нагрузка за счет веса воды изменяется по большой
площади, в силу чего затухание дополнительной нагрузки по глубине тол-
щи происходит в очень слабой степени.
На рис. 36-3 дана схема одного из мостов на р. Миссисипи, опоры кото-
рого периодически испытывают деформацию*. Амплитуда осадки опор в
данном случае достигала 2—3 см в связи с из-
менением уровня воды в реке.
В Нью-Йорке (США) проложен железнодо-
рожный тоннель под р. Гудзон. Уровень воды
в районе тоннеля в связи с приливными и отлив-
ными явлениями колеблется на 1,25 — 1,50 м.
Это обстоятельство сопровождается соответст-
Рис. 36-1. Заболоченная низинная пойма
Рис. 36-2. Возмож-
ные формы деформа-
ции насыпей на бо-
лотах (по Н. П. Куз-
нецовой):
а — разрыв торфяного по-
крова; б — боковое от-
давливание неустойчивых
илистых масс; в — сколь-
жение насыпи
вующей дополнительной осадкой и подъемом тоннеля на 2 — 3 мм.
Такое же явление в идентичных условиях отмечено и в других тоннелях.
* W i 1 1 i a m Р. Kimball. Settlement Studies of Huly P. Long Bridge.
Civ. Eng. Vol. 10, march, 1940.
568
В порту г. Гавра (Франция) имеется морской вокзал*. Он также дважды
в сутки подвергается чередующимся опусканиям и подъемам с амплитудой
порядка 6 мм. Причина этого явления установлена наблюдениями и заклю-
чается во влиянии на грунтовую толщу основания сооружения морских при-
ливов и отливов. Таким образом, мы сталкиваемся здесь со случаем мно-
гократной циклической нагрузки и разгрузки основания сооружения
(см. гл. 35).
Рис. 36-3. Мост через р. Миссисипи
1 — средний уровень воды; 2 — ил; <Г— глины; 4 — песок
В конечном итоге, это непрерывное, изо дня в день продолжающееся ко-
лебание того или иного сооружения, должно вести к новому увеличению осад-
ки сооружения (эффект трамбования), что в некоторых случаях может за-
кончиться нежелательными последствиями.
К диаметрально противоположным результатам ведет изменение высотно-
го положения уровня грунтовых вод: снижение уровня грунтовых вод вы-
свобождает из-под воды некоторый объем грунтовой толщи с соответствую-
щим увеличением ее веса за счет снятия с нее взвешивающего противодав-
ления (эффект Архимеда и его «зеркальное отображение»). Таким образом,
каждый метр снижения уровня грунтовой воды сопровождается увеличе-
нием давления от собственного веса грунтовой толщи на любом горизонте
ниже нового уровня стояния воды на 0,1 кПсм2.
Вместе с тем снижение уровня грунтовых вод, например, в откачивае-
мых котлованах, отнюдь не является исключением. Кроме того, надо учесть
что в данном случае увеличение давления за счет кривой депрессии распро-
страняется на большую площадь. При определенных обстоятельствах (зна-
чительный по мощности и сжимаемости пласт грунта в основании соору-
жения) это может привести к существенным осадкам сооружения. Подобные
* Les Affaissements de la Gate Transatlantique du Havre. Centre d’Etudes et de
Recherches. Geotechnigues, Paris, Bull. 3.
569
обстоятельства часто возникают при откачке котлована, проходимого вбли-
зи от существующей мостовой опоры, в связи с уширением моста. В этом
случае мы неизбежно сталкиваемся с некоторой дополнительной осадкой
опоры и ее наклоном в сторону нового котлована.
Интересным примером возможного влияния на осадку грунтовой толщи
в связи с увеличением веса перекрывающих пластов за счет снижения уров-
ня воды может служить рис. 36-4. Изображенная здесь башня возведена при
наличии в покровных горизонтах мощ-
Рис. 36-4. Обнажение свайного фун-
дамента в г. Архангельске в резуль-
тате просадки торфа при его осуше-
нии (фото Н. Н. Морарескула)
ного слоя торфа. В естественных усло-
виях торф отличается очень высокой
влажностью (до 600% и выше) и исклю-
чительно большой сжимаемостью (мо-
дуль осадки ер =200 4-300 мм/м, а ино-
гда и выше). Отметим здесь попутно,
что модуль осадки погребенных тор-
фов, т. е. торфов древнего происхожде-
ния, перекрытых последующими отло-
жениями, обычно близок кер =80-4-100
мм/м. Поэтому вполне понятно,что осад-
ка сооружений, возведенных непосред-
ственно на торфе, может оказаться очень
большой и измеряться метрами со всеми
проистекающими отсюда последствиями.
Во избежание подобных явлений во
многих случаях, когда это возможно,
устраивают свайные фундаменты со сва-
ями, прорезающими полностью торфя-
ную толщу и передающими нагрузку
от сооружения минеральным, относи-
тельно мало сжимаемым грунтам, лежа-
щим в основании торфяной толщи. Та-
кое решение было принято при возведе-
нии башни, изображенной на рис. 36-4.
Однако в дальнейшем территория под-
верглась глубокому дренированию, уровень грунтовых вод резко пони-
зился, и торф, объемный вес которого в подводном состоянии близок к
нулю, оказался уже под весом обильно увлажненной торфяной массы с
объемным весом несколько выше 1 Т/м3. Торфяная толща оказалась здесь
способной достаточно резко уплотниться, что обусловило своеобразное про-
седание территории, имеющее большое значение для ранее возведенных со-
оружений. Принятое при проектировании этого сооружения инженерное
решение, в котором не было учтено возможное в дальнейшем осушение
торфяного массива, не обеспечило ни надежности фундамента сооруже-
570
ния (на контакте с поверхностью грунта деревянные сваи быстро сгни-
вают), ни архитектурно приемлемого облика башни.
Весьма часто сооружения испытывают сильнейшую деформацию в связи
с оползневыми и провальными явлениями. Провальные явления могут быть
связаны с карстовыми процессами как результатом выщелачивания под-
земными водами гидронеустойчивых пород (известняков и гипсов) с образо-
ванием в толще пещер и ходов.
В районах горных выработок (например, в районах каменноугольных
шахт) известны провальные явления, захватывающие целые кварталы в ре-
зультате проседания кровли (перекрывающей толщи).
Отмечены многочисленные случаи повреждения сооружений в результа-
те высинивания и оттока из толщи значительных масс песка. Такие условия
особенно часто возникают в береговых склонах при спаде паводков или сра-
ботке водохранилищ, при вскрытии котлованов, например при закладке
фундаментов, при расширении мостовых опор или при возведении новых
зданий рядом с существующими и т. д.
Опасность, связанная с возможной просадкой по рассматриваемой при-
чине зданий, никогда не упускается из внимания при строительстве метро-
политена.
Практикой отмечен ряд случаев выноса песчаных масс из толщи длитель-
ное время фонтанирующими артезианскими скважинами, что привело к
просадке и даже разрушению сооружений и зданий. Подобный случай имел
место в конце прошлого века в г. Брянске, где оказались поврежденными
здания в пределах целого квартала.
Существенное значение в осадке и деформации сооружения могут иметь
просадочные явления, связанные с затоплением лёссовых и лёссовидных
грунтов в связи с водопользованием или подпором грунтовых вод в зонах
образования новых водохранилищ. В этих условиях осадка сооружений мо-
жет измеряться многими десятками сантиметров и даже метрами.
Отмечены случаи значительной просадки сооружений (до 1 м) при обиль-
ном обводнении в их основании песчанистых грунтов*.
Как показывает опыт эксплуатации сооружений в залесенных районах,
осадка сооружений может быть вызвана транспирацией (высасыванием) вла-
ги из толщи грунта деревьями. Осадка часто носит сезонный характер и
возникает в связи с обильным выпадением атмосферных осадков или, наобо-
рот, с засухой. В связи с этими причинами отмечены осадки сооружений**
* Е. Jennings and К. Knight. The Additional Settlement of Founda-
tion due to a Collapse of Structure of Sandy Subsoils on Wetting South Africa. Fourth
Inter. Conf, on Soil. Meeh, and Found. London, 1957; A. Williams. Studies of
Shear Strength and Bearing Capacity of some Partially Satureted Sands. South Africa.
Fourth Intern. Conf, on Soil Meeh and Found. Eng. London, 1957.
“A. Baracos and M. В о z о z u k. Seasonal Movements in some Cana-
dian Clays. Fourth Inter. Conf, on Soil Meeh, and Found. Eng. London, 1957.
571
до 10 и даже до 30 см. Опыт указывает также на существенное значение в
деформации сооружений замачивания в их основании глинистых грунтов,
и по этой причине отмечены неравномерные вспучивания и осадки фунда-
ментов величиной до 50 см с тяжелыми последствиями для сооружений*.
Прогноз величины пучения за счет дополнительного обводнения глинис-
тых грунтов с дефицитом влажности требует специального анализа**.
Здесь же отметим лишь, что величина пучения по этой причине возрастает
с величиной дефицита влажности в грунтах (т. е. с увеличением их сухости),
с увеличением мощности толщи таких грунтов и уменьшением падающей
на них нагрузки, что является вполне логичным.
Отмечены случаи повреждения сооружений как следствие пучения
грунтов основания (до 15 см) в результате воздействия на них кислот, свя-
занных с химическим производством ***.
Совершенно особо стоит вопрос об осадке и резкой деформации сооруже-
ний, обоснованных на водонасыщенных песках при сейсмических явлениях.
Однако все эти явления носят значительно более частный характер, чем де-
формации сооружений в районах вечной мерзлоты в связи с оттаиванием
мерзлых грунтов и вытаиванием из толщи так называемого каменного или
ископаемого льда, а также в связи с просадкой сооружений, возведенных
натолще лёссовых пород, при их замачивании. Эти вопросы рассматрива-
ются в последующих главах.
ГЛАВА 37
ПРОСАДОЧНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ЛЁССОВЫХ
И ЛЁССОВИДНЫХ ПОРОДАХ
Толщи лёсса эолового происхождения возникают в основном в резуль-
тате весьма длительного накопления в определенных условиях на поверх-
ности Земли масс атмосферной пыли. Атмосферная пыль, как тончайший
продукт выветривания и развевания горных пород в районах с сухим клима-
том, может выноситься ветром на далекие расстояния от мест образования.
Поднятая ветром пыль при большой сухости воздуха может длительное вре-
мя оставаться в нем во взвешенном состоянии. Однако с переносом пыли в
районы с повышенной влажностью взвешенные в воздухе частицы пыли
становятся своеобразными центрами конденсации паров, вес их увеличива-
* М. loussef and others. Substantial Consolidation and Swelling of Clay co»
uses two interesting cases of Serious Damage to Hospital Buildings in Egypt. Fourth
Int. Conf, on Soil Meeh, and Found. Eng. London, 1957; I. Salas and I. Ser-
ra t о s a. Foundations of Swelling Clays. Spain. Fourth. Inter. Conf, on Soil Meeh,
and Found. Eng. London, 1957.
** См.: H. H. Маслов. Прикладная механика грунтов, 1949, стр. 204—208.
*** A. Mayer. Gonflement du sol sous les Foundations d’un Batiment In-
dustrial. France. Fourth Intern. Conf, on Soil Meeh, and Found. Eng. London. 1957.
572
ется и происходит выпадение атмосферной пыли на поверхность земли. При
наличии травяной растительности выпавшая пыль в той или иной мере здесь
закрепляется. Процесс накопления атмосферной пыли с образованием лёс-
совой толщи идет весьма медленно — со скоростью лишь нескольких мил-
лиметров в год.
Благодаря наличию в толще солей с течением времени происходит неко-
торая цементация выпавших из .воздуха продуктов. Так образуется толща
эолового лёсса. По своим внешним признакам эоловый лёсс представляет
собой!в известной мере связную глинистую пылеватую неслоистую породу
светло-желтого или серовато-желтого цвета, легко растирающуюся между
пальцами, богатую солями и, что самое главное, пористого сложения. По-
ристость эоловых лёссов определяется в первую очередь условиями их на-
копления как эоловых продуктов при постепенном прорастании растениями
и их корнями. В результате толща лёсса оказывается пронизанной тон-
кими вертикальными канальцами, часто с обызвествленными стенками.
По своему петрографическому составу лёсс характеризуется преобла-
данием тончайших зерен кварца, частиц глины и слюды и наличием, того
или иного количества разнообразных солей. Для лёсса как эолового продукта,
никогда не подвергавшегося промывающему воздействию текучих вод, одень
характерно содержание в нем легкорастворимых солей, в частности, гипса и
хлористого натрия. Содержание в породе углекислого кальция СаСО3 ко-
леблется в пределах от 5 до 20% и выше. Это обстоятельство обусловливает
определенную карбонатность лёссов, легко обнаруживаемую пробой «на
вскипание» при воздействии на породу соляной кислоты.
Лёссы даже чисто эолового происхождения могут различатьсятмежду
собой по ряду признаков. Кроме того, имеются лёссы, отложившиеся на
дне водотоков и водоемов, после того как атмосферная пыль попала в них
из воздуха или была внесена в результате смыва атмосферными или поверх-
ностными водами. Отсюда возникло подразделение лёссовых пород на чисто
лёссовые породы, лёссовидные породы, лёссовидные суглинки, лёссовид-
ные супеси и т. д. Очень часто, отмечая генетические особенности лёссовых
толщ, лёссы именуют: аллювиальный, делювиальный, озерный и т. д.
Различные по своему происхождению лёссы отличаются и по своему
составу, состоянию, а следовательно, и по свойствам.
В нашей стране лёсс имеет широкое распространение. Лёссом одеты
обширные пространства в Средней Азии, юг Украины и Закавказье. Об-
ласть распространения лёссов и лёссовидных пород иллюстрируется кар-
той, приведенной на рис. 37-1.
Мощность лёссовой толщи во многих случаях оказывается весьма зна-
чительной и измеряется нередко десятками метров. Во многих источниках
указывается, что в некоторых районах Китая мощность лёссов достигает
300—400 м. Однако эти данные в настоящее время оспариваются.
Мощность лёссов эолового происхождения в пределах одного и того
573
же района может быть весьма неравномерной, определяясь характером
рельефа, погребенного под толщей лёсса. Эоловые осадки, выравнивая
рельеф, в первую очередь откладываются во всех понижениях, впадинах,
оврагах, древних долинах и проч., там мощность лёсса будет наибольшей.
Однако лёсс встречается также на высоких отметках.
Рис. 37-1. Карта распространения лёссов и лёссовидных пород
(по И. П. Герасимову и К- К- Маркову):
1 — типичные лёссы; 2—лёссовидные породы
Часто залежи лёсса приурочиваются к областям четвертичного оледе-
нения (центральные области Европейской части Союза). В этом случае
лёсс представляет собой накопление продуктов развевания ледниковых
осадков, по преимуществу донной морены (см. далее), освобождавшейся
из-под льда при отступании ледников в условиях сухого и ветренного
климата.
Толщи лёсса могут заключать в себе ископаемые почвы, образование
которых связывается с изменением климатической обстановки и с более
или менее длительным перерывом в накоплении эоловых продуктов.
574
Следует отметить, что вопрос о происхождении лессовых пород до сего
времени полностью не решен. В настоящее время наряду с эоловой гипо-
тезой о ратования лёсса начинает привлекать к себе все большее внимание
почвенная гипотеза, выдвинутая еще в 1916 г. нашим крупнейшим геогра-
фом Л. С. Бергом. В соответствии с этой гипотезой образование лёссов и
Рис. 37-2. Деформация здания на
обильно увлажненной лессовой тол-
ще
Рис. 37-3. Повреждение железобетон-
ной конструкции в связи с просадоч-
ными явлениями в лёссе (стадион в
г. Тбилиси)
лёссовидных пород происходит на месте их залегания путем выветривания
толщ глинистых пород в условиях сухого климата.
При такой трактовке вопроса внешние признаки эоловых лёссов могут
быть свойственны и породам неэолового происхождения, однако прошед-
шим тот же путь формирования породы из осадков, как и собственно лёсс.
Такие породы правильно именовать как лёссовидные. В настоящее время
лёсс и лёссовидные породы часто объединяют под общим названием ^лёссо-
вые породы». '
Лёссы и лёссовидные породы отличаются в сухом состоянии повышен-
575
Рис. 37-4. Береговой обрыв, сложенный
лёссом
ной пористостью и характерной способностью к резкому уплотнению при
замачивании водой'.
В силу ряда причин лёссовые породы обладают весьма важными специ-
фическими свойствами, при определенных обстоятельствах резко отличаю-
щими их от других пород.
Особенность лёссов заключается в их различном поведении под нагруз-
кой при разной степени их увлажнения. В сухом состоянии (при влажности
порядка 6—9% и ниже) лёсс отличается значительной прочностью, отно-
сительно высокой несущей способ-
ностью и устойчивостью в отко-
сах. Предел прочности таких лёс-
сов при раздавливании часто вы-
ше 4—5 кПсм2. При такой проч-
ности лёссов даже тяжелые со-
оружения — с нагрузкой на грунт
порядка 4 кПсм2 — испытывают
лишь самые незначительные осад-
ки. При смачивании сжимаемость
лёсса резко возрастает, вызывая
значительную осадку сооружений.
Благодаря неизбежной неравно-
мерности осадок сооружения даже
при малых нагрузках на грунт
резко деформируются с образова-
нием трещин, перекосов и т. д.
(рис. 37-2 и 37-3). При некоторых условиях осадка сооружений на лёс-
сах достигает многих десятков сантиметров и приводит к тяжелым ава-
рийным деформациям сооружений. Ряд интересных примеров по просад-
ке, деформации, крену и повреждению зданий, элеваторов, дымовых
труб и т. д., возведенных на лёссовидных грунтах Украины и Северного
Кавказа, приводит в своей книге В. И. Рыбаков*.
Просадка этих сооружений варьировала в пределах от 15—30 до 80 см
и более. Крен верха элеваторов с отклонением от вертикали достигал 1 м
и более (Ермоловский элеватор).
В отношении осадки всегда в опасном положении оказываются мосты,
возводимые на строящихся в лёссах ирригационных или деривационных ка-
налах. Интересно отметить, что в сухом состоянии лёссы способны в высо-
ких обрывах стоять вертикально (рис. 37-4). Вместе с том при заполнении
каналов в лёссовой толще водой наблюдается резкая деформация грунта,
прежде всего сказывающаяся на бортах канала. Здесь появляются трещи-
ны (рис. 37-5), борта каналов нередко сильно проседают, соответственно
* В. И. Р ы б а к о в. Осадки фундаментов сооружений. ОНТИ, 1957.
576
деформируется и мостовое сооружение. Иногда эта просадка измеряется
метрами.
В соответствии с характером наблюдаемой деформации описываемое
явление получило наименование просадочности, а грунты, обладающие
таким свойством, стали называться просадочными.
Нарушение устойчивости откосов в выемках в толще лёсса обычно свя-
зывается с зонами выхода на откос грунтовых вод в связи с легкой раз-
мокаемостыо лёссов (рис. 37-6).
Рис. 37-5. Деформация бортов канала в лёссовой толще в
связи с просадочными явлениями
Причиной замачивания лёсса и лёссовидных пород в основании соору-
жений могут являться самые разнообразные обстоятельства: плохой от-
вод атмосферных и производственных вод, порча водопроводных и канали-
зационных трактов, подъем грунтовых вод при возведении плотин, утечка
из каналов и т. д.
Переходя к характеристике просадочных грунтов, прежде всего необ
ходимо отметить следующие свойства их: а) повышенную пористость и
б) слабые структурные связи в породе, способные легко уничтожаться при
замачивании ее и тем самым обеспечивать возможность породы к дальней-
шему уплотнению в этом состоянии даже под малыми нагрузками.
Пористость сухих или слабо увлажненных лёссов нередко достигает
55 и даже 60%. Обычно их пористость лежит в пределах от 39 до 47%.
Высокая пористость лёссов, как один из самых характерных его приз-
1/я 20 Заказ № 549
577
наков, связана с особыми условиями их накопления (эоловые отложения
или результат специфических почвообразовательных процессов).
По своему гранулометрическому составу лёссы являются типичными
пылистыми грунтами. Содержание в них фракций ныли (0,05—0,005 мм)
почти всегда выше 70%, а нередко достигает 85 и даже 90% при числе плас-
тичности Р/=б4-9%, а иногда даже ниже — до Р1 =24-3%.
Применительно к такому механическому
составу породы обычно наблюдаемая высо-
кая пористость лёссов является ненормаль-
ной, чрезмерной и не отвечающей условиям
их залегания. Отсюда возникает представле-
Рис. 37-6. Обрушение
откоса в выемке в тол-
ще лёсса в месте выхо-
да на откос грунтовых
вод
Рис. 37-7. Типичные кривые протекания осадки
сооружения на лёссовых породах в различных ус-
ловиях:
1 — лёсс сухой; 11 — лёсс увлажненный; III — лёсс водонасы-
щенный; IV — лёсс сухой, замоченный в момент Гзам
ние об избытке пористости просадочных грунтов по отношению к весу
перекрывающей толщи.
Известны многие высокопористыс породы с крупными, видимыми не-
вооруженным глазом порами (макропоры). Таковы пемза, многие лавы,
туфы. Эти породы, конечно, не являются просадочными, что обусловли-
вается их высоким структурным сцеплением, сохраняющимся и при зама-
чивании породы. В силу этого при оценке просадочных пород самое сущест-
венное значение наряду с их повышенной пористостью имеет и характер
действующих в них внутренних связей. В лёссе и лёссовидных породах
обычно содержатся те или иные соли, в частности гипс и карбонат кальция.
Характерно присутствие в таких породах гидратов окиси железа.
Все эти соли обусловливают некоторую цементацию лёссов и, следова-
тельно, наличие в них некоторого структурного сцепления сс. Однако
578
эти жесткие связи относятся лишь к некоторому определенному (природ-
ному) состоянию плотности породы.
Вместе с тем благодаря слабой глинистости лёссовых пород и их высо-
кой пылеватости водно-коллоидные связи в них, обусловливающие связность
породы, являются относительно слабыми и проявляются лишь при
низкой влажности породы. В сухих лёссах (с влажностью порядка 4—9%)
связность обусловливает значительное сцепление породы (cw =0,44-1,0
кПсм? и выше), а отсюда и относительно высокую их прочность- в таком
состоянии.
При замачивании породы влажность ее, естественно, повышается. Это
явление связано не только с заполнением ранее свободных пор водой,
но в первую очередь с утолщением водных оболочек на частицах, слагаю-
щих породу. В этом процессе, связанном с микропучением породы (т. е.
замыкающимся в пределах пор и не находящим своего выражения
в увеличении объема породы), постепенно рвутся жесткие цементирую-
щие ее связи и структурное сцепление сс практически снижается до нуля.
Одновременно резко падают связность породы и действующие в ней
силы трения. При обильном увлажнении лёсса угол внутреннего трения
резко снижается. Соответственно снижается сопротивляемость spw породы
сдвигу и, как следствие, ее прочность и несущая способность. Под нагруз-
кой порода резко уплотняется, пористость ее уменьшается до своего
эквивалентного нагрузке значения пр. Сооружение испытывает осадку-
просадку.
Обратимся к рис. 37-7. Здесь представлены возможные случаи осадки
сооружений, возведенных на лёссовых породах, во всех случаях с одина-
ковой исходной пористостью п0. На оси абсцисс отложено время, про-
текшее от начала строительства;по оси ординат — величина осадки соору-
жения.
Кривая I соответствует условию возведения сооружения на толще
сухих лёссов с влажностью порядка 4—9%. Влажностный режим толщи
лёсса сохраняется на весь период наблюдений. Благодаря высокому зна-
чению сопротивляемости породы сдвигу они в таком состоянии характери-
зуются повышенной прочностью и малой сжимаемостью ер, В силу этого
общая осадка сооружения т]ос./ оказывается незначительной.
Кривая II отвечает условию возведения сооружения на толще
лёсса с повышенной влажностью — порядка 18—23%. И в данном случае
влажностный режим сохраняется постоянным. Благодаря более высокой
влажности породы падает и общая сопротивляемость породы сдвигу spw.
Одновременно повышается сжимаемость. Осадка сооружения tqoc.ii увели-
чивается, что нередко приводит к появлению в зданиях трещин, вполне
обычных для данных условий.
Кривая III соответствует условию, когда толща лёсса замачивается
водой с самого начала строительства. В этом случае влажность породы дос-
7220*
579
тигает своего максимума, прочность минимума, и сжимаемость породы
резко возрастает. В этих условиях осадка сооружения т?ос.ш оказывается
значительно более высокой, чем в двух первых случаях.
Кривая IV отражает условия, наиболее обычные для лёссовых
грунтов: толща лёсса в природном состоянии является сухой; в таком
положении лёсс сохраняется на период от То до Тзам; в момент Тзам проис-
ходит обводнение толщи со всеми вытекающими отсюда последствиями.
При таких условиях ход осадки сооружения будет характеризоваться тремя
различными ветвями: Qa, ас и cd. На первой стадии (ветвь Оа) кривая IV сов-
падает с кривой I (сухой лёсс). На третьей стадии (ветвь ссГ) кривая IV
ложится на кривую/// (замоченный лёсс). На второй же, промежуточной
стадии (ветвь ас) в своем начале совпадающей со временем замачивания
толщи Тзам, сооружение в своей осадке претерпевает резкий скачок. Этот
скачок определяет величину просадки сооружения.
Как видим, просадка сооружения в данном случае обусловливается
быстрым переходом осадки сооружения с процесса / на процесс ///. Это
явление обычно плохо воспринимается сооружениями и сопровождается
появлением в них трещин, перекосов или даже полным их разрушением.
Для обеспечения нормальной работы сооружений в подобных условиях
они должны быть надлежащим образом сконструированы. Известен ряд
сооружений, возведенных в лёссовых районах и благополучно существую-
щих и работающих.
Отсюда вытекает необходимость предварительной оценки степени про-
садочности лёссовой и лёссовидной толщи и возможности замачивания
их в процессе эксплуатации сооружений. Из произведенного выше анализа
следует, что наиболее опасными оказываются те лёссы, которые по тем
или иным причинам смогут оказаться замоченными в период работы соору-
жения. Лёссы, в природных условиях залегающие ниже уровня грунтовых
вод, в подавляющем большинстве случаев являются непросадочными.
Величина просадки ?]прос при прочих равных условиях зависит от мощ-
ности лёссовой толщи, залегающей выше уровня подземных вод, а также
от степени увлажнения лёсса. С возрастанием мощности этой толщи почти
в прямой зависимости увеличивается величина т/прос.
Величина просадки т}прос, естественно, определяется большей или мень-
шей способностью пород, слагающих данную толщу, вызывать просадоч-
ные явления.
Величину просадочности наиболее просто и наглядно можно изобразить,
как и сжимаемость грунта, через величину относительной деформации.
При выражении этой величины в промиллях мы будем оперировать модулем
просадочности епр, который характеризует просадку в миллиметрах метро-
вого пласта породы при ее замачивании под дополнительной нагрузкой
р (кПсм2). Нередко этот показатель выражается в долях единицы и обозна-
чается через i.
580
По своей просадочности наиболее опасны те лёссы и лёссовидные по-
роды, которые по гранулометрическому составу могут быть отнесены к
пылеватым легким суглинкам и супесям. С повышением содержания в породе
стойкого цементирующего начала, обусловливающего в ней высокое струк-
турное сцепление, например, кремнистого вещества (некоторые лёссовид-
ные породы Армении), степень ее просадочности также снижается.
Как показывает опыт строительства в Средней Азии*, наиболее опасны
по своей просадочности лёссы и лёссовидные породы пролювиального про-
исхождения. При длительном замачивании таких лёссов их просадочность
7jnp в определенных условиях может достигать 3 м. В этом отношении эоло-
вые лёссы и делювиальные лёссовидные породы могут характеризоваться
как более спокойные (^пр = 0,5-4-1,0 м). Наконец, лёссовидные породы
из толщи элювия и тем более связанные с аллювиальными отложениями,
могут характеризоваться как очень слабо просадочные (т}пр=2-4-5 см).
Весьма важным показателем степени просадочности лёссовых грунтов
является их пористость п (в %). Просадочность сухих лёссовых грунтов
по их пористости п может быть оценена по табл. 31.
Таблица 31
Просадочность сухих лёссовых грунтов
Степень просадочности породы Пористость, % Модуль про- садочности ер. пр. , мм!м
Непросадочная Слабопросадочная Просадочная Сильно просадочная Резко просадочная Менее 40 40—45 45—50 50—55 Более 55 0 10 50 100 Более 100
При оценке просадочности лёссовых грунтов весьма важен учет их
влажности w. Чем выше естественная влажность породы, тем больше ее
сжимаемость под нагрузкой и осадка сооружения и тем меньше соответствен-
но просадочность грунта и просадка при дополнительном его замачивании.
Обычно при влажности ш, превышающей на 1—2% предел пластичности
породы PL, модуль просадочности лёссовых грунтов епр оказывается близ-
ким к нулю.
Все эти обстоятельства заставляют оценивать величину показателя
просадочности лёссовых и лёссовидных грунтов опытным путем. В лабо-
раторной обстановке опыты проводятся по принципу изучения сжимаемости
породы под теми или иными нагрузками, отвечающими проектируемому
* М. П. Кузьминов. Земляные гидротехнические сооружения. Изд-во
АН Уз. ССР, 1958.
19 Заказ № 549 581
сооружению, с построением компрессионных кривых (рис. 37-8). Однако
в отличие от обычных компрессионных опытов эти опыты на начальной ста-
дии проводятся без заполнения прибора водой. Такая стадия обычно ха-
рактеризуется низкой сжимаемостью породы (ветвь А на рис. 37-8). Дальше,
после достижения некоторой интересующей нас нагрузки (в условиях
примера р=3 кПсм?) в прибор подается вода. Образец дает под той же
нагрузкой резкую осадку (ветвь Б). Затем обжатие образца идет в усло-
виях затопления его водой. Как видим,
опыт повторяет процесс осадки сооруже-
ния по процессу IV (см. рис. 37-7).
Модуль просадочности определяется по
величине отрезка ab на рис. 37-8. В дан-
ном случае езпр=52 мм/м.
Учитывая структурные особенности
породы (ее макропористость и включе-
ния), эти опыты желательно проводить
на образцах возможно большего разме-
ра.
Для получения большей достоверно-
сти в оценке просадочности лёссовых грун-
тов часто проводятся полевые опыты с
наблюдением за дополнительной просад-
Рис. 37-8. Пример обработки дан-
ных лабораторного опыта по оп-
ределению модуля просадочности
ер пр лёссовых грунтов
кой штампа под нагрузкой при заливе грунта в его основании водой.
Величина ожидаемой просадки толщи, сложенной лёссами или лёссо-
видными породами, с мощностью Н при ее замачивании определяется по
следующей простейшей зависимости:
^Пр = еПр/7. (37-1)
В зависимости от величины т]пр, определенной по этой формуле, толща
относится к той или иной категории по просадочности по следующим
признакам:
Категория просадочности e ® ® I II III
Просадка ?]пр, см . ® а ® до 15 16—51 более 50
Для обеспечения прочности сооружений, проектируемых на просадоч-
ных грунтах, обычно принимаются некоторые защитные меры. Характер
этих мер определяется категорией лёссовой толщи по просадочности. Сос-
тав мероприятий применительно к той или иной категории устанавливается
соответствующими нормативами, в частности, Нормами и техническими
условиями проектирования и строительства зданий и промышленных соору-
жений на макропористых просадочных грунтах (НиТУ 137-56). Эти меры
разнообразны и носят характер предупредительных или конструктивных
582
мероприятий. Ряд мер предусматривает защиту лёссовой толщи от ее
замачивания.
Сущность конструктивных мероприятий — повышение жесткости соору-
жений в целях выравнивания неравномерных осадок в одних случаях
и обеспечения свободной осадки отдельных частей сооружения в других.
Во всех случаях полезно снижать нагрузку на грунт, в особенности при
повышенной влажности лёссовой толщи и относительно малой ее мощности.
Часто это мероприятие практически более оправдано, чем мероприятия,
направленные на защиту лёссовой толщи от возможности дополнительного
ее увлажнения, которые по своей природе носят всегда более или менее
кратковременный характер. Более подробно вопрос о мероприятиях по
защите сооружений от влияния на них просадки рассматривается в курсе
«Основания и фундаменты».
При проектировании сооружений на толще, сложенной лёссами или
лёссовидными породами, помимо их просадочных свойств, связанных не-
посредственно с уплотнением замоченных лёссов под нагрузкой, следует
учитывать также способность некоторых разновидностей лёссов резко
терять прочность при воздействии на них воды. Это явление нередко свя-
зано с пучением породы и обусловливается разрывом структурных связей
и резким (до нуля) падением сцепления. Фундаменты на таких породах при
малом их заглублении в грунт (что часто имеет место в южных районах)
даже при небольших нагрузках на грунт в основании сооружения способны
давать большую осадку и просадку, связанную с пластическими явлениями,
как результатом нарушения прочности и устойчивости основания.
Характерными свойствами описываемых разновидностей лёссовых по-
род остаются низкая водостойкость и легкая размокаемость даже при отно-
сительно высокой плотности.
Следует иметь в виду, что показатели сопротивляемости лёссов и лёс-
совидных пород сдвигу в очень сильной степени варьируют в зависимости
от состава (глинистости) пород и их плотности-влажности. В зависимости
от указанных условий угол внутреннего трения этих пород может изме-
няться в пределах от 10° и ниже до 27—30°. Сцепление грунта также за-
висит от этих условий и одновременно от степени цементации карбона-
том кальция и изменяется в пределах от 0 до 1 к,Г!см2.
Особенно низкой может быть сопротивляемость лёссовых грунтов сдви-
гу при их замачивании и последующем резком увеличении воздействующей
на них нагрузки. В этом отношении весьма показателен и полезен график
(рис. 37-9), построенный по данным исследований К. К. Казакбаева (Таш-
кент, 1961 г.). Как видим, при малой плотности лёсс, будучи замочен, ха-
рактеризуется весьма низкими показателями сопротивляемости сдвигу и,
следовательно, очень малой несущей способностью. Как показывает опыт
строительства на лёссах и лёссовидных породах, во многих случаях, в осо-
бенности при возведении легких сооружений (с малой нагрузкой на грунт)
19*
583
на мощной толще сильно просадочных пород, весьма полезна оказывается
предварительная промочка котлованов и искусственное уплотнение лёс-
сов.
Пористость п, %
Рис. 37-9. Угол внутреннего трения
и сцепления cw замоченного лёсса
при его пористости п (в %) и объем-
ном весе скелета 7СК (в Т/м3). Из мате-
риалов К- К- Казакбаева
По данным С. Н. Максимова, промочка просадочных грунтов с пода-
чей воды в котлованы еще до начала возведения сооружений способна умень-
шить величину предстоящей просадки сооружений на 60 и даже 90% (при
мощности лёссов соответственно 6 и 16 м). Однако в этих условиях возникает
необходимость считаться с резким
падением прочности, а отсюда — и
несущей способности лёссовых пород
при их замачивании, что в ряде слу-
чаев может потребовать более глу-
бокого заложения фундаментов соо-
ружения или уменьшения нагрузки
на грунт в обеспечение его устойчи-
вости в основании сооружения.
Степень уменьшения просадочно-
сти лёссов и лёссовидных пород при
снижении нагрузки на грунт уста-
навливается путем проведения опы-
тов с определением модуля проса-
дочности ер.пр при замачивании грун-
та под разными нагрузками рзам и
построением графика зависимости
ер.пр как функции от пористости
грунта п при разных нагрузках рзам.
При прогнозах просадочности лёс-
совых пород в основании напорных
сооружений всегда необходимо счи-
таться с легкой размываемостью лёс-
сов при относительно высокой их
водопроницаемости, обусловленной их
макропористой структурой. Необхо-
димо отметить, что некоторые разно-
видности лёссов способны вызвать
длительную и весьма значительную
осадку сооружений в связи с выщелачиванием содержащихся в грунте солей
под воздействием фильтрационного потока, что в некоторых случаях ведет
к расслаблению структурного скелета породы со всеми вытекающими
отсюда последствиями. Это обстоятельство вызывает необходимость
подвергать лёссы, предназначенные служить основанием напорных со-
оружений, специальным опытам с изучением их просадочности под воз-
действием фильтрационного потока. Однако в этом анализе не должен
584
быть упущен из внимания вопрос о времени и интенсивности протекания
самого процесса выщелачивания в зависимости от скорости фильтрации
применительно к реальным градиентам и степени агрессивности самой
фильтрующей воды.
В заключение необходимо отметить, что резкими просадочными свойст-
вами могут характеризоваться не только лёссы и лёссовидные породы.
В этом отношении интересен элювий латеритов района г. Конакри (Гви-
нея, Зап. Африка). Согласно исследованиям Гипровуза (1961 г.) эта по-
рода при относительно высокой влажности (оу =25—29%) и относительно
низком числе пластичности (PI =9-4-10%) характеризовалась исключи-
тельно высокой пористостью (п =55-4-60%), весьма малым объемным ве-
сом скелета (тск =1,1 -4-1,2 Т/м3), слабой связностью и отсюда весьма высо-
кой просадочностью (ар.пр =100-4-140 мм/м и выше). Это обстоятельство
вызвало необходимость принять . при проектировании зданий Политехни-
ческого института ряд ограничительных мер.
Ссылки на исключительно низкую плотность элювия латеритов имеются
и в докладе Флорентена в материалах IV Международного конгресса по
механике грунтов и фундаментостроению (1957 г.).
ГЛАВА 38
ВЕЧНОМЕРЗЛЫЕ ПОРОДЫ И ГРУНТЫ
Вечномерзлой породой или вечномерзлыми грунтами называют неко-
торую толщу горных пород или грунтов, характеризующихся всегда отри-
цательной или нулевой температурой и наличием цементирующего породу
льда. Такое состояние может сохраняться неопределенно долгое время —
до десятков тысячелетий. Обычно температура вечномерзлых пород и грун-
тов лежит в пределах отО до—7°. Ниже—8°, как правило, температура вечно-
мерзлых пород не опускается.
На территории СССР вечномерзлые породы и грунты имеют значитель-
ное распространение, захватывая в северной и северо-восточной частях
нашей страны огромные пространства общей площадью до 47% всей тер-
ритории СССР (рис. 38-1). На всей этой огромной территории толща вечно-
мерзлых пород и грунтов лишь в северной части имеет вид сплошного
непрерывного слоя. В более южных районах она в той или иной степени
прерывиста, либо перемежается с участками талого грунта (так называе-
мыми островами таликов), либо залегает среди талого грунта в виде остро-
вов вечномерзлых пород или в виде гнезд и линз.
По характеру своего залегания в вертикальном разрезе вечномерзлые
породы и грунты обычно представляются в виде сплошного слоя той или
другой мощности, иногда содержащего в себе включения талого грунта
различной формы. Реже наблюдается чередование мерзлых и талых слоев
(так называемая слоистая толща вечномерзлых пород и грунтов).
585
Всегда имеющийся в толще вечномерзлых пород и грунтов лед может
встречаться самых разнообразных форм и размеров: от мельчайших крис-
талликов и пропластков, измеряемых долями миллиметра, до значитель-
ных гнезд и прожилков и даже пластов громадной мощности (до 20 м).
1 — южная граница (изотерма 0° на глубине 10 м); 2—5 — изотермы различных минусовых темпе-
ратур на глубине 10 м\ 6 — локальная (в отдельных пунктах) мерзлота; 7—11 — островная мерзлота
с мощностью (последовательно) 0—15, 15—60, 60—120, 120—250, 250—500 м; 12 — то же, более 500 м
Такие мощные слои льда распространены в местностях с наиболее суровым
климатом, где они часто занимают большие площади и в сущности представ-
ляют собой своеобразную горную породу, именуемую каменным или погре-
бенным льдом.
586
Наблюденная мощность вечномерзлых пород измеряется десятками мет-
ров, а в ряде случаев достигает сотен метров: в Якутске мощность не прой-
денной до конца мерзлоты 230 —250 м, на Шпицбергене больше 240 л и,
наконец, как максимальная из обнаруженных около 600 ж на севере Яку-
тии, на побережье моря Лаптевых. Под долинами больших рек вечномерз-
лые породы отсутствуют или залегают глубже. Такова долина р. Лены,
несущей со своей водой большое количество тепла.
Полагают, что вечномерзлые
породы являются остатками лед-
никового периода, а их мерзлое
состояние сохраняется современ-
ным климатом.
Вечномерзлые породы и грун-
ты представляют значительное
препятствие для передвижения
грунтовых вод и поэтому являют-
ся водоупорным слоем. Однако
грунтовые воды все же циркули-
руют в толще вечномерзлых по-
род, причем путями их передви-
жения являются прослойки и жи-
лы талого грунта.
Подземные ВОДЫ области веч- Рис- 38'2- Наледь, западные Саяны (фото
номерзлых пород наиболее полно
изучены Н. И. Толстихиным, который по форме залегания этих подраз-
деляет их на три основных типа: над мерзлотные, межмерзлотные и под-
мерзлотные. При выходе в области вечномерзлотных пород грунтовых
вод на поверхность образуются наледи, в некоторых случаях достига-
ющие весьма большого развития (рис. 38-2).
Вечномерзлые грунты в огромном большинстве случаев представлены
илами, супесями, суглинками и т. д. При переходе в мерзлотное состояние
такие грунты становятся твердыми /И приобретают характер скальных
пород со значительным сцеплением и высоким пределом прочности. Вре-
менное сопротивление сжатию различных глинистых мерзлых грунтов
повышается с понижением температуры и обычно лежит в пределах от
10 до 200 кГ/см2 и выше. Сопротивление скалыванию этих грунтов также
отвечает этой закономерности и варьирует обычно в пределах от 5 до
15 кПсм2.
Процесс перехода грунта, содержащего воду, в мерзлое состояние всегда
в той или иной степени сопровождается глубокими изменениями первичного
природного его состояния и, следовательно, инженерно-геологических
свойств. Вода, заполняющая поры грунта, при замерзании превращает
грунт в твердую монолитную массу, где лед играет роль прочного цемента.
587
Этот процесс сопровождается одновременно увеличением объема воды при
замерзании, что влечет за собой то или иное расстройство первоначальной
природной структуры грунта. При последующем оттаивании первичная
структура грунта полностью не восстанавливается.
При оттаивании илистые и глинистые грунты переходят в разжиженное
состояние, подобное грязи, характеризующееся чрезвычайным переувлаж-
нением и ничтожной несущей способностью. В некоторых случаях коли-
чество воды в оттаявших грунтах превосходит по весу содержание в них
твердого вещества. Сопротивляемость сдвигу оттаявшего переувлажнен-
ного грунта оказывается весьма низкой.
Вполне понятно, что при подобных обстоятельствах нагрузка от соору-
жения, будучи вполне допустимой для твердого мерзлого состояния грун-
та, может оказаться чрезмерной для оттаявшего грунта, превратившегося
в разжиженную массу. В результате этого произойдет выпирание грун-
та из-под подошвы фундамента и неравномерная осадка сооружения. По-
этому основной задачей при возведении сооружений в районах вечномерз-
лых грунтов является предохранение их от чрезмерных деформаций,
являющихся следствием изменений температурного режима в основании
сооружений.
Как показывают наблюдения, нарушения нормальной работы соору-
жений в общем случае обусловливаются следующими причинами:
а) выжиманием грунта из-под подошвы сооружения при оттаивании
вечномерзлых грунтов и просадочными явлениями, сопровождающими
оттаивание в грунте ледяных масс;
б) неравномерным пучением основания сооружения при промораживании
талого грунта;
в) оползанием косогоров и откосов выемок при оттаивании вечномерз-
лых пород;
г) прорывом грунтовых вод с образованием наледей.
Вполне понятно, что эти неблагоприятные обстоятельства относятся к
мерзлым грунтам, переходящим при оттаивании в разжиженное состояние,
и не имеют никакого практического значения для сооружений, обоснован-
ных на скальных породах. В лучшем положении находятся крупные пески,
галечники, щебенистые скопления и т. д., залегающие выше уровня грун-
товых вод и вследствие этого представленные рыхлыми, несмерзающимися
массами.
Сохранение в основании сооружения вечномерзлых пород (т. е. пре-
дохранение их от возможного оттаивания) должно быть обязательным в
случае залегания в основании сооружения под почвенным или даже грунто-
вым покровом более или менее значительных толщ погребенного льда.
Вполне понятно, что таяние льда в подобных условиях неизбежно приведет
к просадкам и провалам, сопровождающимся резкими деформациями
сооружения (рис. 38-3).
588
Вопрос об устойчивости откосов как естественных, так и искусственных,
а вместе с тем и связанных с ними сооружений связан с неизбежным ослаб-
лением перенасыщенных водой грунтов при переходе их при оттаивании
из мерзлого твердого состояния в разжиженное с ничтожным сопротивле-
нием сдвигу. Положение осложняется еще в большей степени в связи с тем,
что, как показал это впервые своими исследованиями проф. И. Л. Цытович,
мерзлый грунт обладает всеми свойства-
ми, присущими реологическим телам, и
в том числе ползучестью и снижением
прочности во времени даже при постоян-
ных температурах (С. С. Вялов, 1959).
Совершенно очевидно, что при разра-
ботке противооползневых мероприятий
в вечномерзлых грунтах в каждом час-
тном случае необходимо иметь вполне
исчерпывающие сведения о свойствах,
режиме и условиях залегания мерзлого
слоя.
Как показывает практика, пучение
грунта особенно опасно для свайных
опор мостов, в частности деревянных
(рис. 38-4). Пучение возникает при уве-
личении объема замерзающего зимой и
оттаивающего летом надмерзлого слоя.
Этот оттаивающий летом слой назы-
вается деятельным слоем вечномерзло-
го грунта. Дополнительным непремен-
Рис. 38-3. Заполненная водой про-
вальная воронка, образовавшаяся
при вытаивании из толщи погребен-
ного льда
ным условием выпирания тех или
иных строительных конструкций является смерзание грунта с боковой
поверхностью опор. Прочность смерзания мерзлого грунта с деревдМ ко-
леблется в пределах от 8 до 22 кПсм2 в зависимости от физических свойств
грунта, его влажности, температуры и состояния поверхности опор
(гладкая, шероховатая).
Увеличение объема деятельного слоя и, следовательно, его пучения
определяется в основном образованием в толще грунта ледяных прослой-
ков (рис. 38-5), как следствие особого явления, именуемого миграцией
воды. Такая миграция заключается в подсасывании воды к замерзающему
слою из более глубоко залегающих горизонтов.
Само собой разумеется, что описываемый процесс может находить свое
выражение лишь в условиях возможного подпитывания водой замерзаю-
щего слоя снизу, т. е. в условиях неглубокого залегания грунтовых вод.
Очевидно, что при этом происходит дополнительное обогащение грунта
водой, что в свою очередь ведет к ледообразованию, пучению грунта при
589
замерзании и резкому ослаблению при оттаивании, в особенности при
наблюдаемом при этом нарушении структуры грунта.
Миграция воды в промерзающих грунтах, открытая и изученная впер-
вые как процесс русскими и советскими учеными, обусловливается в пер-
вую очередь осмотическими силами при наличии температурных градиен-
тов, а также внутренними напряжениями, возникающими в толще грунта
при неравномерном его промерзании.
Рис. 38-4. Деформация моста в районе вечномерзлых грунтов
Наиболее интенсивно процесс миграции воды в рассматриваемых усло-
виях идет в легких суглинках и пылеватых супесях. В глинистых грунтах
в силу исключительно низкой их водопроницаемости интенсивность миг-
рации, как правило, ослабляется. Прослои льда, образующиеся в толще
грунта при его промерзании в условиях миграции воды, могут иметь
различную толщину — от долей миллиметра до десятков сантиметров и
более.
Условия для проявления пучения замерзающих грунтов становятся
особенно благоприятными в долинах крупных рек, где вечномерзлые породы
из-за непрерывного привноси тепла текучей водой обычно отсутствуют,
и подсос воды к замерзающему слою происходит беспрепятственно.
Глубина сезонного промерзания и оттаивания грунтов в суровом кли-
мате вечномерзлотных районов достигает нередко 2,5—3 м. В условиях
короткого лета, длинной зимы и необратимых полностью деформаций пу-
чения грунта пучение (выпирание) опор носит нарастающий во времени
590
характер, нередко достигая 1,5—2 лс, а в отдельных случаях* превышает
3 м. Проезжая часть моста приобретает в продольном профиле выпуклую
форму и сам мост становится «горбатым», что может быть объяснено мень-
шей глубиной промерзания грунта вблизи от берегов в связи с влиянием
подходных насыпей. Выпучивание опор мостов в вечномерзлых грунтах
во всех случаях сопровождается поперечным перекосом. На интенсивность
перекоса мостов в этом случае влияют и степень смерзания промерзающего
грунта с опорами, и жесткость опо-
ры, обусловливаемая горизонтальны-
ми и диагональными схватками, и
разная глубина забивки свай, и т. д.
Благодаря всем этим условиям такие
мосты часто приходят в совершенно
непригодное для эксплуатации сос-
тояние.
Ряжевые опоры мостов в связи с
пучением замерзающих грунтов зи-
мой поднимаются, а летом, при от-
таивании, опускаются, что часто со-
провождается деформациями в про-
дольном и поперечном профиле. При
недостаточном заглублении и при от-
сутствии соответствующих защитных
мер несвободными от деформации пу-
чения оказываются и каменные мостовые опоры. Особое значение имеет
при этом проникновение под подошву увлекаемых кверху в процессе
пучения опор разжиженных грунтовых масс из окружающей талой сре-
ды. Поступательное движение опоры в каждом последующем зимнем сезо-
не облегчается, и выпирание опоры в этом случае идет особенно интенсив-
но’. Известны случаи разрыва мостовых опор по горизонтальной плос-
кости с отрывом верхней части. Появление трещин в опорах в этих
условиях является обычным.
Совершенно особый характер имеют аварийные случаи с мостами, выз-
ванные наледями.
По своему происхождению наледи делятся на три вида:
а) речные наледи;
б) наледи с прорывом зажатых вод;
в) обычные наледи.
Речные наледи образуются в связи с выходом речных вод на
поверхность ледяного покрова и намерзанием здесь больших масс льда.
Рис. 38-5. Прослои льда в грунте
* М. Е. Евдоким о в • Р о к о т о в с к и й. Постройка и эксплуатация
инженерных сооружений в вечной мерзлоте. Изд. НКПС, 1931.
591
Они достигают высоты 4 ж и более. Смерзаясь с опорами мостов и всплывая
вместе с ледяным покровом при повышении уровня воды в водотоке при
весенних и летних паводках, наледи в ряде случаев могут приводить к
выдергиванию свай, деформации опор и даже разрушению мостов. Такие
случаи имели место на сибирских реках Джатва, Юхна, Завитая, Архара
и др.
Другой вид наледей связан с прорывом на поверх-
ность грунтовых вод, зажатых в толще (см. рис. 38-2).
Такое явление объясняется тем, что вечномерзлые породы, т. е. зона с пос-
тоянно отрицательной температурой, залегают на некоторой глубине от
поверхности, перекрываясь так называемым надмерзлотным слоем. Этот
слой, в отношении которого мерзлота является водоупором, несет обычно
грунтовую воду. Верхняя зона надмерзлотного слоя (деятельный слои)
в зависимости от сезонных климатических изменений то замерзает, то отта-
ивает. Глубина зимнего промораживания деятельного слоя, кроме клима-
тических агентов (длительность зимы, температура, толщина снегового
покрова и т. д.) зависит также от свойств покровных грунтов, их состояния,
влажности, наличия мохового покрова и т. д.
При наступлении зимы грунтовая вода оказывается зажатой между
вечномерзлой породой и все возрастающей по мощности замерзающей
массой деятельного слоя. В результате в пониженных местах рельефа вода
окажется под напором и будет искать себе выход по линии наименьшего
сопротивления. Такими будут места, где по тем или иным причинам проморо-
женная покровная толща окажется наименьшей или даже будет вовсе
отсутствовать. В результате вода прорывается, затапливает свободные про-
странства и, замерзая, создает весьма своеобразные по форме наледи.
Описанные образования следует отличать от обычно встречающихся
наледей, являющихся следствием свободного выхода из грунта теплых
ключей, растекания воды по поверхности и последующего ее замерзания.
Нередко мы сталкиваемся с таким положением, когда ключевые воды
при выходе на поверхность замерзают на проезжей части автомобильных
и верхнем строении железных дорог, особенно если они расположены в
выемке.
В практике эксплуатации инженерных сооружений такие наледи не-
однократно создавали большие затруднения. Известен ряд случаев с
затруднением в эксплуатации в подобных условиях тоннелей в связи с
высачиванием в тоннель грунтовых вод и намерзанием их на полотне.
Кроме того, замерзание воды, просачивающейся через обделку тоннелей,
вызывает ее быстрое разрушение. Эти обстоятельства вызывали необходи-
мость проведения в некоторых сибирских тоннелях специальных мероприя-
тий (завесы на порталах в целях защиты от проникновения в тоннель хо-
лодного воздуха, искусственный обогрев тоннеля и т. д.).
Большие осложнения возникали в связи с наледями и при эксплуатации
592
мостов. Известны случаи, когда из-за наледей мостовые сооружения оказы-
вались полностью разрушенными. Такой случай произошел в 1928 г. на
р. Ононе, где мост был полностью срезан наледью. Весьма продуктивными
в борьбе с наледями оказались так называемые мерзлотные пояса. Эти
пояса образуют соответствующим образом расположенные канавы. По оси
канав грунт зимой промерзает более глубоко и, смерзаясь с вечномерз-
лыми грунтами, прекращает доступ воды к сооружению. Таким об-
разом создаются искусственные наледи в заранее предусмотренных и
безопасных для существования мостов местах.
Наиболее благоприятные условия для строительства в районах вечно-
мерзлых пород имеются на участках, сложенных скалистыми породами
или сыпуче-мерзлыми грунтами (песок, галька, щебень) при глубоком
залегании грунтовых вод.
Условия строительства в районах с вечномерзлыми грунтами установ-
лены СНиП Н-Б. 1-62 и СНиП П-А. 12-62.
Помимо этого в целях дорожного строительства широко используются
«Технические указания по изменению, проектированию и строительству
автодорог и аэродромов в районе вечной мерзлоты» — ВСН-84-62 (Мин-
трансстрой СССР, 1963).
В этих документах предусматривается возможность возведения соору-
жений на вечномерзлых породах по одному из следующих вариантов:
а) без учета вечномерзлого состояния грунтов основания;
б) с сохранением вечномерзлого состояния грунтов основания;
в) с допущением последующего оттаивания вечномерзлых грунтов
основания при строительстве и эксплуатации сооружения;
г) с предпостроечным оттаиванием вечномерзлых грунтов оснований
еще до возведения фундаментов.
Выбор того или иного варианта на практике обусловливается типом
и назначением сооружения, а также видами мерзлой породы. Первый ва-
риант выбирают при строительстве сооружений на скалистых и сыпуче-
мерзлых породах без крупных включений льда. Сохранение грунтов осно-
вания в мерзлом состоянии обеспечивается применением в конструкциях
столбчатых, а также свайных фундаментов. Основным мероприятием для
сохранения мерзлого состояния грунтов в основании зданий является про-
ветриваемое зимой подполье. Третий вариант предусматривает необходи-
мость использования конструкций, приспособленных к восприятию значи-
тельных деформаций. Наконец, четвертый вариант — с предварительным
оттаиванием мерзлоты — оказывается наиболее целесообразным при на-
личии в основании проектируемых сооружений сыпуче-мерзлых пород
со значительными включениями льда.
Отметим интересный случай из практики тоннелестроения при проходке
штольни тоннеля через Большой Киргизский хребет под перевалом Тюя-
Кия-Ашу. Здесь согласно сообщению инж. А. П. Алексеева, строители
593
встретились с мощными залежами погребенного льда, доставившего им
немало трудностей.
В условиях вечной мерзлоты виды деформаций и формы нарушения
нормальной работы сооружений весьма своеобразны и многочисленны.
Так же своеобразны и многочисленны мероприятия по борьбе с этими яв-
лениями. Успех этих мероприятий лежит прежде всего в надлежащем изу-
чении свойств и условий залегания вечномерзлых пород и грунтов в зоне
сооружения. С этой стороны наиболее важными вопросами, подлежащими
изучению при исследовании площадки в районе с вечномерзлыми грунтами,
являются:
а) отметка залегания поверхности вечномерзлых пород;
б) форма залегания (сплошной массив или слоистая мерзлота с нали-
чием в ней таликов) и мощность слоя вечномерзлых пород;
в) температурный режим мерзлоты (распределение температуры по
глубине);
г) характер грунтов мерзлой зоны;
д) наличие ледовых, прослойков (ледонасыщенность) или погребенного
льда; величина массивов последнего;
е) мощность надмерзлотного слоя, характер слагающих его грунтов и
водный режим надмерзлотного слоя;
ж) мощность деятельного слоя по многолетним наблюдениям;
з) наличие термоизоляционного покрова (мох, торф, поверхностные
воды и т. д.);
и) климатические факторы (длительность зимы, температурная харак-
теристика сезонов по месяцам, атмосферные осадки, толща снегового
покрова и т. д.).
В заключение необходимо отметить ведущую роль в области освоения
вечномерзлых грунтов как основания для сооружений советских ученых
во главе с чл.-корр. АН СССР заслуженным деятелем науки и техники
докт. техн, наук проф. Н. А. Цытовичем, с большим успехом продол-
жающим более ранние исследования крупного ученого, основоположника
мерзлотоведения докт. техн, наук проф. М. И. Сумгина.
ЧАСТЬ XI
ПОЛЕВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
ГЛАВА 39
ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ И ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Литературные и архивные материалы. Каждый проект инженерных
сооружений должен быть тщательно обоснован с инженерно-геологической
точки зрения, а геологическое строение участка или строительной площадки
должно быть предварительно освещено с необходимой полнотой. При
постановке и проведении инженерно-геологических исследований должны
быть использованы все материалы предшествующих изысканий. Матери-
алы более ранних исследований в некоторой своей части обычно бывают
опубликованы в печати как в периодической, так и в трудах тех или иных
институтов и учреждений. Такие материалы носят название литературных.
Вместе с тем результаты многих геологических, гидрогеологических
и инженерно-геологических исследований по тем или иным причинам не
опубликованы и хранятся в архивах соответствующих ведомств и организа-
ций. Такие материалы именуются архивными.
Комплексная инженерно-геологическая съемка. В состав первой стадии
развернутых инженерно-геологических исследований, обязательно входит
так называемая комплексная инженерно-геологическая съемка, которая имеет
свой целью раскрыть общие инженерно-геологические условия возведения
проектируемых сооружений. Таким образом, при инженерно-геологичес-
кой съемке рассматриваются вопросы, связанные с геологической структу-
рой района, с его гидрогеологическими особенностями, с проявлением тех
или иных процессов (оползни, карст, сейсмика и т. д.) и с первичной оценкой
строительных свойств грунтов, представляющих интерес для проектируемо-
го объекта.
Основой комплексной инженерно-геологической съемки является наб-
людение и опрос местных жителей, а также работников тех или иных органи-
заций. Одновременно должен идти сбор необходимых архивных материа-
лов в местных организациях. Наблюдения осуществляются на всех имею-
щихся естественных обнажениях (в обрывах, в оврагах и т.д.), а также на
откосах искусственных выемок (железнодорожных, автомобильно-дорож-
ных, в котлованах и т. д.). В процессе наблюдения выявляются породы,
имеющие распространение в районе изысканий, и условия их залегания.
При необходимости производятся легкие расчистки обнажений или даже за-
кладываются неглубокие шурфы. По возможности отбираются пробы горных
пород и грунтов для последующего анализа их в петрографических кабинетах
и грунтовых лабораториях. Во избежание высыхания образцы глинистых по-
595
род тщательно парафинируются. Одновременно производится замер уровня
воды в колодцах, собираются данные о его изменении по сезонам. При необ-
ходимости отбираются для анализа пробы воды.
Весьма важной частью комплексной инженерно-геологической съемки
является накопление всякого рода сведений об опыте строительства в ана-
логичных условиях. Проводятся наблюдения за состоянием уже возведенных
сооружений (осадка, трещины,
перекосы, фильтрация, состоя-
ние откосов и т. д.). Собирают-
ся данные об использованных
типах фундаментов, о труднос-
тях, встреченных при их за-
кладке и т. д.
Все эти сведения тщательно
документируются и увязывают-
ся с топографическими планами
и картами и, по возможности, с
геологической картой.
Геологическая разведка. На
последующих стадиях инженер-
но-геологических изысканий по-
лучает решающее значение гео-
логическая разведка с исполь-
Рис. 39-1. Ударно-вращательное бурение зованием разведочных выра-
боток, подразделяющихся на
буровые скважины и горные
выработки.
Буровой скважиной назы-
вается подземная цилиндри-
ческая выработка, проходи-
мая при помощи буровой
установки (рис. 39-1 и
39-2). Диаметр скважины при
инженерно-геологических ис-
следованиях может быть от
59 до 1000 мм, а иногда и бо-
лее, а глубина скважины — от
нескольких метров до многих
десятков метров. С глубиной
диаметр скважины обычно
уменьшается.
Рис. 39-2. Бурение в русле реки под мостовой Проходка слабоустойчи-
переход вых пород ведется с закреп-
596
лением стенок скважины при помощи обсадных труб. Скважины бурятся
вертикально, наклонно или в горизонтальном направлении.
Сущность бурения заключается в постепенном и последовательном извле-
чении из проходимой скважины образцов породы, которые используются для
изучения геологического разреза и инженерно-геологических свойств по-
род. В инженерно-геологической практике бурение скважин имеет широкое
применение благодаря своей простоте
и возможности ускоренного изучения
геологического разреза.
Различают два основных способа
бурения: ударное и вращательное.
Сущность ударного бурения заключа-
ется в проходке породы посредством
удара буровыми наконечниками, ук-
репленными на штангах или стальном
канате. Внедрение наконечника в
породу производится при помощи
специального ударного устройства.
При вращательном бурении проход-
ка (разрушение) породы осуществля-
ется за счет вращения бурового нако-
нечника либо по кольцу (колонковое
бурение), либо по всей площади за-
боя (сплошным забоем). При инженерно-геологических изысканиях буре-
ние скважин сплошным забоем имеет весьма ограниченное распростране-
ние. При ударно-вращательном (комбинированном) способе проходка по-
роды производится за счет вращения бурового наконечника (ложка, змеевик)
и ударным способом (желонка, долото, стакан).
Для подъема и опускания бурового инструмента используются блочная
система, подвешиваемая на треноге, ворота, лебедки, и другие подъемные
механизмы, приводимые в действие от двигателя или вручную (ручное удар-
но-вращательное бурение см. рис. 39-1).
В последнее время в практику исследований внедряется вибрационное
бурение, при котором буровой наконечник внедряется в породу при помощи
виброинструмента, шнековое бурение, осуществляемое путем вращения по-
лых шнеков (змеевиков), а также другие способы.
Наиболее широкое распространение в инженерно-геологической прак-
тике имеет колонковое бурение, при котором выбуренные породы поднимают-
ся на поверхность в неразрушенном состоянии в виде так называемого кер-
на (рис. 39-3), дающего отчетливое представление о породе. Колонковое
бурение наиболее часто используется для изучения скалистых и полускалис-
тых пород (1-я категория II класса), проходка же относительно слабых
Рис. 39-3. Керны колонковых сква-
жин
597
пород (породы II, III и IV классов) ведется обычным методом ударно-вра-
щательного бурения.
Очистка забоя (дна скважины) от разрушенной породы и вынос ее па по-
верхность, а также охлаждение рабочего наконечника осуществляется во
время бурения путем промывки. Если проходка скважины ведется по устой-
чивым породам, для промывки применяется вода, подаваемая насосом; при
наличии воды в скважине ведется безнасосное бурение. При проходке сква-
Рис. 39-5. Станок колонково-
го бурения
Рис. 39-4. Различные буровые нако-
нечники:
а — долото; б — желонка; в — ложка; а — зме-
евик
жин в неустойчивых породах для закрепления стенок промывку ведут гли-
нистыми или специальными растворами.
Качество бурения (т. е. сохранность керна, а следовательно, и получе-
ние достоверного геологического разреза) зависит от способа бурения, кон-
струкции наконечника и правильного его применения в различных условиях.
Основные буровые наконечники, которые используются при ударном и вра-
щательном бурении, показаны на рис. 39-4. При ударном бурении для про-
ходки твердых пород применяются долота (рис. 39-4, а) различных видов.
Для проходки водонасосных песков, плывунов, гравия, гальки применяется
желонка (рис. 39-4, б), имеющая различные конструкции. При ударно-вра-
щательном бурении, кроме указанных наконечников, применяются: для
проходки связных грунтов и неводоноспых песков — бур ложковый (лож-
ка, рис. 39-4, в), в плотных пластичных породах — спиральный змеевик
(рис. 39-4, г) и забивные стаканы. Бур спиральный употребляется при про-
ходке глин и суглинков, когда бурение ложкой менее эффективно.
598
При колонковом бурении применяется колонковый набор, состоящий из
кольцевой колонки, рабочий торец которой армирован резцами из твердых
сплавов или алмазов, или же неармированной дробовой коронки. Коронка
при помощи резьбы присоединяется к колонковой трубе. Последняя посред-
ством перехода соединяется с пустотелыми штангами, которые по мере уг-
лубления скважины постепенно наращиваются. Верхняя штанга зажимает-
ся в шпинделе бурового станка (рис. 39-5).
который и приводит во вращение колонко-
вый снаряд.
При вращении с соответствующим дав-
лением коронкой выбуривается кольце-
вое пространство, внутри которого оста-
ется нетронутый столбик породы (керн).
После извлечения колонкового снаряда
коронка отвертывается, керн извлекается
и укладывается в ящик (см. рис. 39-3).
Буровые станки. В практике инженер-
но-геологических изысканий в зависимости
от геологического разреза и целевого на-
значения наиболее широко применяются
станки колонкового бурения различного
типа с начальным диаметром бурения
152 мм и различной глубиной бурения
(до 500 м).
Для механизации ручного бурения
применяется ряд новых буровых устано-
вок, в том числе самоходных (рис. 39-6),
проекты которых разработаны Гидропро-
ектом и другими организациями.
Одной из важнейших задач при про-
ходке буровых скважин является отбор
образцов грунта с ненарушенной струк-
турой — монолитов.
Рис. 39-6. Самоходный буровой
станок ударно-канатного и виб-
рационного бурения и зондиро-
вания марки ЛВБ-1М института
«Гидропроект» в действии. На-
чальный диаметр скважины
168—219 жх. Глубина бурения
40—50 м
При бурении скважин образцы неска-
листых пород извлекаются на поверхность, как правило, с нарушен-
ной структурой. Такие образцы не могут быть использованы для лабора-
торных определений I класса (предел прочности на сжатие, сопротив-
ляемость сдвигу, сжимаемость и т. д.). Для этих испытаний необходимы
монолиты пород.
С этой целью применяют специальные наконечники — так называемые
грунтоносы. Грунтонос представляет собой специально сконструирован-
ный полый цилиндр (грунтоприемный стакан) для вмещения монолита
с особыми, удерживающими его приспособлениями.
599
При ударном бурении отбор образцов с ненарушенной структурой
производится при помощи забивного грунтоноса.
Для лучшей сохранности образцов слабосвязных грунтов в грунтоприем-
ный стакан часто дополнительно вставляют специальные цилиндрические
гильзы из мягкой жести. При извлечении монолита из грунтоноса он так
Рис. 39-7. Буровой станок «Калике»
и остается в этой гильзе. Для подъема образцов сыпучих и слегка плывун-
ных грунтов применяют специальные вкладыши, которые при извлечении
монолита, закрываясь предохраняют образцы от выпадения.
При вращательном бурении по рыхлым породам, когда керн не удержи-
вается в обычной колонковой трубе или размывается промывочной жид-
костью, отбор монолитов осуществляется посредстом специальных обури-
вающих грунтоносов или двойных колонковых труб. Наиболее распростра-
ненными являются обуривающие грунтоносы ВСЕГИНГЕО (системы
Е. В. Симонова). Грунтонос представляет собой усовершенствованную
двойную колонковую трубу и состоит из обуревающей трубы и кернопри-
емного стакана. Внутренняя керноприемная труба неподвижна, вращается
только наружная обуривающая труба, а промывочная жидкость прохо-
дит в кольцевой зазор между трубами.
На станках вращательного бурения для отбора монолитов использует-
ся принцип задавливания при помощи гидравлической системы станка;
отбор монолитов осуществляется забивным грунтоносом ГК-3 или подоб-
ными ему.
600
При инженерно-геологических изысканиях следует применять грунто-
носы, работающие на принципе задавливания, и обуривающие грунто-
носы, обеспечивающие отбор проб грунта ненарушенной структуры. За-
бивные грунтоносы в большинстве случаев нарушают естественную струк-
туру грунта.
В последние годы в целях улучшения исследования грунтов все чаще
используются скважины большого диаметра (1,0—1,5 Л0. Проходка таких
скважин требует специального
оборудования (буровые станки
«Калике», рис. 39-7 и 39-8). По-
лучаемые при этом бурении моно-
литы больших размеров (рис. 39-9)
допускают всестороннее исследо-
вание породы. При определенных
условиях (при отсутствии воды или
при откачке ее специальным глу-
бинным насосом) в такую скважи-
ну на специальной подвесной
люльке может спуститься наблю-
датель для визуального изучения
состояния и условий залегания
пород в природных условиях, а
также для фотографирования.
Горные выработки. Горными
выработками называются выработ-
ки относительно большого сече-
Рис. 39-8. Режущая корона станка «Ка-
лике»
ния, проходимые при помощи кай-
ла, лопаты, лома, перфораторного бурения или взрывных работ. В отли-
чие от скважин в горных выработках можно увидеть детали геологичес-
кого строения, трещиноватости и водоносности пород и сравнительно лег-
ко получить образцы пород ненарушенной структуры. Однако проходка
выработок более трудоемка, чем бурение скважин, и стоимость их не-
редко выше. Типы горных выработок приводятся в табл. 32.
Таблица 32
Типы горных выработок
Открытые (наземные) выработки Подземные выработки
вертикальные горизонтальные
Закопушки Расчистки Канавы Шурфы Дудки Шахты Штольни Штреки Квершлаги
21 Заказ № 549
601
Выбор типа выработки зависит от сложности геологического строения
и рельефа участка, назначения выработки и стадии проектирования. Так,
например, в районах сложного геологического строения (со сложной ли-
тологией и тектоникой, при наличии оползней, карста, интенсивной тре-
щиноватости и т. п.) и при малой мощности покровных рыхлых пород
большое значение при ведении разведочных работ имеют горные выработ-
ки — канавы, расчистки, штольни и др.
Рис. 39-9. Керны из скважины большого диаметра (Гидро-
проект)
Ниже приводится краткая характеристика горных выработок, распро-
страненных при инженерно-геологических изысканиях.
Закопушкой называется простейшая горная выработка в виде
небольшой ямки, применяемая при производстве геологической съемки
и поисках строительных материалов.
Расчистки — простейшие горные выработки, применяемые для ис-
следования пород в их коренном залегании в тех случаях, когда мощность
покровных отложений небольшая. Ширина расчистки делается обычно
0,6—0,8 jw, глубина не превышает 1,5 м (рис. 39-10).
Канавой (траншеей) называется открытая горная выработка для
вскрытия коренных пород, залегающих близко от поверхности. Глубина
капав не превышает 1,5—4,0 м, длина может быть различной, ширина —
0,75—2,0 м.
602
Канавы обычно закладываются по направлению падения пород. За-
рисовка канавы делается в виде развертки во стенкам и подошве.
Шурф ы— вертикальная горная выработка прямоугольного или квад-
ратного сечения размером I X 1,5 или 2x2 м. Шурф — наиболее распро-
страненный тип горной выработки. Геологическая документация шурфа
производится по мере продвижения забоя сверху вниз. Делается геологи-
Рис. 39-10. Изучение условий^ зале-
гания пород в расчистке
ческое описание пород, произво-
дится в определенном масштабе
зарисовка стенок шурфа, в соот-
ветствии с заданием отбираются
для лабораторных исследований
образцы и монолиты.
Рис. 39-11. Проходка шурфа с при-
менением воротка
В мягких породах проходка шурфа осуществляется лопатами; в плот-
ных прослойках при помощи лопат, кирки и лома, а в скалистых породах
применяются взрывные работы. Извлечение породы из неглубоких шурфов
(глубиной до 2—3 м) производится лопатами, в более глубоких устраива-
ются специальные подземные полки или устанавливается ручной вороток
(рис. 39-11) или подъемная лебедка.
В зависимости от свойств породы шурфы проходятся без крепления
и с креплением (из подручного лесного материала).
При наличии в шурфе воды производится ее отлив ведрами или простей-
шими насосами (в зависимости от приточности).
21*
603.
Дудки. Дудка представляет собой вертикальную горную выработ-
ку круглого сечения диаметром не более 1 м и глубиной до 10 м. В плотных
устойчивых породах дудки проходят обычно без крепления. Подъем по-
роды осуществляется при помощи воротка. Геологическая документация
дудок аналогична документации шурфов, но вместо зарисовки четырех
стенок делается зарисовка развертки цилиндрической поверхности дудки.
Шахта представляет собой вер-
тикальную или крутонаклонную горную
выработку круглого, квадратного или
прямоугольного сечения. Обычное сече-
ние шахт—1,3x2,2 или 1,6x4,0 м. Не-
редко шахты углубляются на несколь-
ко десятков метров, что вызывает необ-
ходимость тщательного крепления сте-
нок шахты. Это крепление выполняет-
ся бетоном, реже деревом. Для водо-
отлива и подъема породы шахты обо-
рудуются специальными механизмами.
Шахты закладываются при детальных
инженерно - геологических исследова-
ниях, при изучении тектонических на-
рушений, трещиноватости, для произ-
водства полевых опытов и т. д.
Штольней называется горизон-
тальная или слабонаклонная горная
с поверхности земли на крутых скло-
нах. В большинстве случаев штольни
требуют крепления, которое выполня-
ется из дерева и реже из бетона.
Рис. 39-12. Устье^штольнн в скаль- щТОльни проходятся при инженерно-
геологических исследованиях склонов
долины, особенно на участках примы-
кания плотин, для оценки устойчивости косогоров, изучения оползней
и т. д. Геологическая документация штолен ведется вслед за ее проход-
кой. Делается зарисовка в виде развертки по боковым стенкам штольни,
кровле и забою. Горные выработки всех типов, разрабатываемые «в от-
крытую», обладают тем преимуществом, что позволяют отбирать из толщи
для исследований монолиты горных пород в наилучшей сохранности
(рис. 39-13).
Гидрогеологические исследования. Одновременно при проведении гео-
логической разведки обычно проводятся и гидрогеологические исследова-
ния. В состав этих исследований входят наблюдения за положением уров-
выработка (рис. 39-12), закладываемая
604
Рис. 39-13. Отбор монолита полускальной породы в
горной выработке
Рис. 39-14. Откачка из центральной скважины опытного
куста
Рис. 39-15. Насосная установка для мощной опытной
откачки
Рис. 39-16. Схема электроразведочных работ
ня грунтовых вод, за напором подземных вод, условием их изменения во
времени (по сезонам) и т. д. Обычно одновременно отбираются пробы воды
для определения степени ее агрессивности в отношении бетона. Эти анализы
проводятся в специальных лабораториях. Однако наряду с установлением
уровня грунтовых вод наибольшее значение в гидрогеологических ис-
следованиях имеют опыты по определению водоносности и водопроницае-
мости пород с определением вели-
чии коэффициентов фильтрации. Как
известно, эти опыты заключаются в
установлении уровня понижения
грунтовых вод в некоторой зоне во-
круг центральной выработки в зави-
симости от достигнутого в ней пони-
жения откачкой посредством насо-
сов тех или иных систем с одновре-
менным замером расхода (см. гл. 13).
Общий вид этих работ виден из
рис. 39-14 и 39-15.
В настоящее время не без успеха
для инженерно-геологических целей
применяются геофизические методы
исследования, основанные на прин-
ципе использования электропроводно-
сти пород (электроразведка — рис.
39-16) и скорости распространения в
толще упругих колебаний (сейсмораз-
ведка) .
В практике инженерно-геологиче-
ских исследований все большее зна-
Рис. 39-17. Аэрофотосъемка долины
реки, врезанной в горный массив из-
вестняков. Масштаб 1 : 10 000 (по
В. А. Федорову)
чение приобретает аэрофотосъемка. На рис. 39-17 в качестве примера при-
водится один из планшетов такой съемки, выполненной в масштабе 1: 10000.
На нем представлена долина горной реки, склоны которой сложены слоис-
тыми известняками. В местах обнажения пород видны особенности их
напластования (структура, падение и простирание пород, мощность); на
снимке хорошо представлены характер рельефа и своеобразие распределе-
ния делювиальных отложений. Поверхности конусов выноса, расположен-
ные по низу поперечных долин, несут следы размыва (тонкие светлые ли-
нии) и поросли кустарника (темные точки). Вблизи русла реки проходит
автомобильная дорога местного значения (узкая светлая полоса однообраз-
ной ширины на всем ее протяжении).
При проходке всех разведочных выработок ведется тщательная геоло-
гическая документация (журналы по проходке шурфов, буровые журналы
607
n m
M
5 в Масштаб гориз 1-5000
I вертик 1 500
0
-5
-10
-15
-го
-25
-30
-35
-40
-45
-50 Я
' Me. отметка и.
скважиньг
NN СвК.
-5£
- Q
7ZZ71L
&
WO I 100\
--150 =
ЛЛрТР
Расстояние в m\ | 115 | WO | 15Q'_______________________________________________
п Консистенции
Щ^Вода 0^л5\^ Mикрослоистые мягкой Текучепластичная Зиния размыва
Ил‘песчаный зернистый пласт, глины и сутинкиЪ№крпласт11чн_ая —— Литологическая граница
текичепласт. пт vstx ТолуЬоОато-серыеллот-—-^-. Пески разнозернистые со^ 1угопластичная Реологическая граница
^^y^HbieeHUHbicobnoM-O^^iSSpcnaeooKamaHHOuzaPbKoimTOepdan . Нпппп впРы
г |=™,Ил тонкий теку- ками створок раковин и валунами кпистал- 'а а я
^^чепласт. Р г=\Оестроцветныеслан- н лическик паров Г-Г^. вровень грводы^Водонасыщенность
консистенции^ ‘==| цеватыеглиныипес- g Буровая скважина
чин и к и
WO
WO
Рис. 39-18. Геолого-литологический профиль (по А. П. Фадеевой)
и т. д.), при проходке шурфов, шахт и штолен ведутся зарисовки условий
залегания пород или фотографирование.
Результаты всех инженерно-геологических исследований сводятся в
специальные инженерно-геологические отчеты. Всякий инженерно-геоло-
- Скважина N96
Абсолютная отметка устья = 115,20 м
Диаметр 127 мм
Глубина 17,50 м
113,8
Описание пород
3,00
оло
6,00
7,70
8,80
9,40
10,50
113,00
109,3
Песок мелкозернистый, желто-бурого
цвета, слабо плотный, влажный-, с
глубины 1,5 м водоносный С редкой
мелкой галькой и гравием
Суглинок легкий, и^вестдао^истый, с '
галькой известковистых пород до ZOP
____________плотный__________
Мергель глинистый, плотный, бурого
цвета, с гнездами гипса, твердой
консистенции______________________
Сланцеватая глина серого цвета, с
прослойками известняка, твердой
___________консистенции_______
Известняк коричневато-серый,
крепкий, сильно трещиноватый
Известняк голубоватый, сильно трещинова-
тый , вооонасыщвнный___________
Сланец глинистый, бурого цвета “
(кровельные сланцы), твердый
Мергель глинистый, коричневато-серого
цвета, глинистый, в нижней части
переладит в сланцеватую глину,
твердой консистенции
Сланец глинистый, бурого цвета, с
поперечной сланцеватостью, плотный
________(кровельный), твердый_______.
Песчаник кремнистый, с неровным
изломом, красно-бурого цвета, крепкий,
сильно трещиноватый, водоносный
Глина очень плотная, серо-голубовато
го цвета, неясно слоистая, гипсонос-
ная, тугбпластичной консистенции
Рис. 39-19. Инженерно-геологическая колонка скважины (по А. П. Фадеевой)
гический отчет с той или иной детальностью, определяемой стадией проек-
тирования, должен дать достаточно четкое представление об инженерно-
геологических условиях возведения проектируемого сооружения. Непре-
менной частью отчета должны являться геологические разрезы, или профили
(рис. 39-18). Геологические профили строятся для ряда створов, способных
609
наилучшим образом осветить геологическое строение участка. На геоло-
гические профили наносятся в цифровой, буквенной и графической форме
данные, характеризующие рельеф, геологическое строение толщи, ее лито-
логический состав, возраст, пород, показатели их состава и состояния, а
также положение уровней подземных вод.
Геологические профили составляются по колонкам, которые вычерчи-
ваются для каждой выработки (рис. 39-19).
Инженерно-геологические исследования в районе будущей строитель-
ной площадки охватывают очень обширный круг вопросов, требующих
для надлежащего освещения значительных сроков, затраты немалых
средств, а также определенной подготовки и значительной эрудиции ис-
следователей. Однако, несмотря на такие трудности, хорошо проведенные
инженерно-геологические исследования приносят так много пользы, что
в конце концов все денежные затраты на них полностью окупаются.
ГЛАВА 40
ПОЛЕВЫЕ ОПЫТЫ И НАБЛЮДЕНИЯ
Опыты по оценке несущей способности грунтов. При отборе из грунто-
вой толщи образцов для лабораторных испытаний неизбежно происходит
некоторое нарушение их природной структуры. Естественная плотность
и обычно весьма слабые внутренние связи в сыпучих грунтах, таких, на-
пример, как песок, нарушаются при этом полностью. Плотность сыпучих
грунтов в природных условиях их залегания устанавливается с большим
трудом и весьма приближенно. Прочность подавляющей части глинистых
грунтов в значительной степени зависит от внутренних связей, в частности
от структурного сцепления сс. В процессе отбора глинистых образцов
из толщи структурные связи в них также в той или иной мере нарушаются.
При этих условиях сопротивляемость грунтов сдвигу, как один из основных
факторов, определяющих их несущую способность, устанавливается лабо-
раторными опытами обычно приближенно, нередко с большими погрешнос-
тями. Помимо этого, нами уже не один раз отмечалась известная услов-
ность в оценке прочности и степени критической устойчивости оснований
сооружений теоретическим путем, с использованием тех или иных фор-
мул. Поэтому при проектировании ответственных сооружений нередко
возникает необходимость проведения контрольных полевых опытов, когда
грунты испытывались бы in situ (т. е. в естественных условиях залегания)
и условность расчетов была бы сведена до минимума.
Полевые работы такого назначения подразделяются на две следующие
основные категории:
1) опыты по оценке сопротивляемости грунтов сдвигу;
610
2) опыты по контролю расчетных данных, связанных с установлением
критической несущей способности оснований.
Полевые опыты по определению сопротивляемости грунтов сдвигу в
свою очередь могут быть подразделены на три вида:
1) опыты со сдвигом больших монолитов и «попов» (искусственных
останцев породы) в котлованах и выработках;
2) опыты со сдвигом моде-
лей сооружений (штампов)
по поверхности грунтовой
толщи;
3) испытания по определе-
нию прочности грунтов ины-
ми, косвенными методами.
Рис. 40-1. Рычажная установка системы РПС-1
для проведения опыта со сдвигом больших
монолитов в полевой обстановке (Гидро-
проект)
\РМ
Модель
I I III II
Рис. 40-2. Схема полевого
опыта со сдвигом модели
Испытания со сдвигом больших монолитов или «попов» преследуют
цель проведения опытов в больших масштабах и с сохранением текстурных
и структурных особенностей породы, исключающих возможность экспери-
ментирования в лаборатории. Для этого используются специальные уста-
новки (рис. 40-1).
Опыты со сдвигом моделей носят в известной мере универсальный ха-
рактер (рис. 40-2). Модель обычно в виде бетонного блока той или иной
величины в плане с ребордами по подошве размещается на открытой по-
верхности грунта и подвергается воздействию нагрузок вертикальной Р
и сдвигающей Q. Горизонтальное давление Q обычно создается домкра-
тами (рис. 40-3). При площади подошвы блока w имеем:
РмоД=-^-л^/^3; (40-1)
\мод = “ кПсмг. (40-2)
611
Сдвигающее усилие постепенно повышается до критической величины
сдвигающего напряжения ткр, принимаемого равным сопротивляемости
грунта сдвигу spt Наступление критического состояния отождествляется
35-^0 м
Рис. 40-3. Схема установки для проведения
опытов по сдвигу бетонных штампов в кот-
ловане Братской ГЭС (ВЫИИГ, рук. работ
К- В. Хохлов, научн. рук. проф. П. Д. Евдоки-
мов). Давление и сдвиг монолита осуществлялись
гидравлическими домкратами на 200 Т:
1 — передвижной портальный кран грузоподъемностью
200 Т\ 2 — стальные анкеры d = 100 мм, I— 12,2 м для
закрепления портала; 3 — стальные опорные балки; 4 —
стальные катки; 5 — центрирующая стальная опора; 6 —
скважины d = 233 мм и глубиной II м для заделки в
скалу анкеров; 7 — гидравлический домкрат на 200 Т для
создания вертикальной нагрузки; 8—чугунная подушка;
9 — бетонный штамп 1 X 1 м в плане; 10 — гидравлический
домкрат для создания горизонтальной нагрузки; // — го-
ризонтальная стальная упорная балка; /2 — индикаторы
(мессуры); 13—марки, заделанные в бетонный штамп;
14 — металлические штыри, заделанные в скалу основания
при этом с началом гори-
зонтального смещения моде-
ли, фиксируемого специаль-
ной аппаратурой.
Для получения наиболее
надежных результатов блоку
модели по возможности при-
дают значительные размеры
(1X1 м и более). Из этих
же соображений принимают-
ся меры к проведению опыта
в условиях плоской задачи,
для чего загружают три смеж-
ных монолита со сдвигом
среднего как непосредствен-
ной модели. В этом случае
проведение опыта в открытом
котловане затрудняется необ-
ходимостью приложения к
модельным блокам большой
нагрузки для создания необ-
ходимого давления на грунт
и для обеспечения устойчиво-
сти упора для домкрата. В
связи с этим стремятся про-
водить испытания в замкну-
тых пространствах, например
в опытных штольнях. В этом
случае как вертикальное, так
и сдвигающее усилие на мо-
дель осуществляются домкра-
тами с упором их в кровлю
и стенки выработки. Очевид-
но, что при этих обстоятельствах условия загрузки модели резко облег-
чаются.
Если необходимо установить расчлененные характеристики сопротив-
ляемости грунта сдвигу (ф и с), опыты необходимо проводить под несколь-
кими нагрузками, что, естественно, их осложняет.
Часто ограничиваются определением одного лишь коэффициента сдви-
га Fp с отнесением его к проектной нагрузке рс00р. Однако здесь снова
612
могут встретиться некоторые затруднения, связанные с необходимостью
обеспечения надлежащей обстановки работы грунта в основании модели.
Как известно, несущая способность основания снижается с уменьшением
размеров фундамента. Вместе с тем, очевидно, что никакое нарушение
прочности грунта в основании модели не может быть допущено. Отсюда
возникает необходимость ограничения нагрузки р^одна модель, например,
исходя из требований формулы Пузыревского (22-55):
Р без
Г С 1
^загл 4“ 7~ I
L т tg<p J
cig ср 4-<р — “
В некоторых случаях, в особенности при малой величине сцепления с
в грунте, нагрузка на модель, которая должна удовлетворять условию
Рмод'Ср'без» может оказаться
весьма незначительной. В
этом случае возникает новое
затруднение в определении
коэффициента сопротивления
сдвигу Fp при нагрузке р, от-
вечающей проектной. Не сле-
дует забывать, что
= tg ф 4~
с
Рмод
При значительном умень-
шении р, когда с>0, вели-
чина коэффициента сопротив-
ления сдвигу Fp может ока-
заться опасно завышенной*.
Рис. 40-4. Схема с крыльчаткой:
а — крыльчатка; б — деталь; в — расчетная схема
Переходя ко второму типу полевых исследований (без модели), следует
отметить значительную перспективность использования для определения
сопротивляемости сдвигу пластичных глин (фа. =0)так называемой крыль-
чатки или, лучше, «флюгера» (vane test). Схема этого испытания иллюстри-
руется рис. 40-4. При этом опыте определяется момент 7Игр, который необ-
ходимо приложить к рукоятке прибора, чтобы провернуть его в грунте.
Очевидно, что такому проворачиванию будет препятствовать момент Л4сопр
сил сцепления по цилиндрической поверхности среза грунта Mh и момент
сопротивления вращению цилиндра по дну лунки Мг. Таким образом,
Чо„р = ^ + Я- (40-3)
* См.: Н. Н. Маслов. Основы механики грунтов и инженерной геологии.
Автотрансиздат, 1961, стр. 529—531.
613
(40-4)
Отсюда для условий равновесия .может быть найдено сцепление cw,
отвечающее природным условиям залегания породы,
2М Вр
Опыты и наблюдения по оценке сжимаемости грунтов. Как неодно-
кратно отмечалось, прогноз осадок и деформаций сооружений часто во
многом оказывается условным. Существенную роль в этом отношении
играет нарушение природной структуры грунта при отборе образцов из
грунтовой толщи. Чтобы не нарушать структуру грунта, в ответственных
случаях возникает вопрос об оценке сжимаемости грунта с определением
тех или иных показателей в полевых условиях, на месте, без извлечения
образцов из толщи. С этой целью на месте предполагаемого сооружения
закладывается шурф, в котором на уровне испытываемого слоя устанавли-
вается плита-штамп определенного размера. При помощи специальных
устройств к плите прикладывается некоторая нагрузка, которая постепен-
но увеличивается до проектной или даже ее превосходит. В продолжение
всего опыта за осадкой штампа ведутся наблюдения. Затем строятся гра-
фики зависимости осадки штампа под данной нагрузкой во времени. На
основе этих графиков устанавливается осадка опытной плиты под данной
нагрузкой при полном затухании осадки.
При малых размерах опытного штампа всегда возникает возможность
развития в его основании пластических явлений. При закладке плиты
на дне шурфа без всякого заглубления, т. е. непосредственно на поверх-
ность грунта, опасность проявления отдавливания грунта из-под подошвы
штампа возрастает в еще большей степени. Кроме того, загрузка штампа
в силу технических причин проводится нередко много быстрее, чем это
было бы необходимо для полной стабилизации и полного уплотнения гли-
нистого грунта под испытательной нагрузкой. При таких обстоятельствах
не исключается возможность проявления в грунте под штампом рассмот-
ренных вЫше явлений. В силу этого при проведении опыта пробной нагруз-
кой всегда существует опасность, что замеренная осадка штампа будет
заключать в себе осадку, вызванную не только уплотнением грунта, что
для нас наиболее интересно, но и осадку, связанную с выдавливанием
грунта из-под опытной плиты (выпирание). Совершенно понятно, что та-
кая осадка не является характерной и приемлемой для прогноза предстоя-
щей осадки сооружения с достаточно широко развитыми фундаментами,
исключающими возможность выпирания грунта из-под них. Отсюда воз-
никает требование проведения опыта с пробной нагрузкой таким образом,
чтобы он был свободен от пластических явлений и чтобы замеренная осадка
штампа свидетельствовала лишь об осадке грунта за счет уплотнения его
под воздействием нормальных напряжений.
В общем случае это условие приводит к требованию использования в
614
опыте плит-штампов достаточно больших размеров, с достаточным их заг-
лублением и достаточно медленным нарастанием нагрузки во времени во
избежание вредного последствия указанных выше явлений. Однако даже
при соблюдении всех указанных условий замеренная осадка штампа не
будет соответствовать предстоящей осадке сооружения, так как величина
осадки фундамента при прочих равных условиях определяется его размером.
Наряду с этим часто может иметь место то обстоятельство, что слабый пласт,
залегающий на некоторой глубине под малым штампом, ввиду быстрого
затухания напряжения по глубине практически окажется вовсе не втяну-
тым в работу. Между тем этот же пласт в основании реального сооружения
имел бы решающее значение в общей осадке сооружения.
Полное решение вопроса было бы достигнуто, если бы нагрузка и раз-
меры штампа соответствовали размерам фундамента. Но в огромном боль-
шинстве случаев такой опыт является практически невыполнимым и по-
этому приходится идти на уменьшение штампов. При уменьшенных штам-
пах возникает необходимость опробования всех горизонтов, имеющих
наибольшее практическое значение, под нагрузкой, соответствующей тому
реальному напряжению, которое будет действовать в данном пласте под
весом уже возведенного сооружения. При проведении опыта с пробной
нагрузкой стандартным штампом является штамп площадью 5000 см2 (квад-
рат 70x70 см). Применение штампов большего размера зависит от возмож-
ностей дать потребную нагрузку. Не рекомендуется брать штампы менее
50x50 см. Схема при испытаниях* показана на рис. 40-5.
После установки штампа и загрузочного приспособления наиболее
целесообразно засыпать шурф полностью. В этом случае были бы достиг-
нуты наилучшие условия для повышения устойчивости грунта под штам-
пом против возможного его выпирания.
При определении сжимаемости слабых глин увеличение нагрузки необ-
ходимо вести очень медленно при непрестанном наблюдении за осадкой
штампа и в полном соответствии с ней; пригрузка ведется по ступеням, и
следующая ступень должна прикладываться только тогда, когда процесс
осадки от предыдущих ступеней нагрузки идет на затухание. Очень часто
выполнение опыта по такой методике может потребовать длительных сро-
ков, что является, конечно, его крупным недостатком.
Ход осадки штампов во времени наносится на график, подобный изоб-
раженному на рис. 40-6. Отдельные участки кривой (изображены здесь
сплошной линией) соответствуют ходу осадки штампа под нагрузкой данной
ступени от момента ее приложения до практического затухания осадки.
Анализ этого графика позволяет судить о, быстроте нарастания и затухания
предстоящей осадки сооружения.
* Временные технические условия и инструкции на исследование грунтов ос-
нований промышленных и гражданских зданий и сооружений. Изд. Министерства
строительства СССР, 1954.
615
На основании данных наблюдений за величиной стабилизовавшейся
под той или иной нагрузкой осадки штампа строится, если это надо, график
зависимости осадки штампа от величины нагрузки. Пример построения
такого графика приводится на рис. 40-7. Зона / соответствует здесь процессу
все возрастающего уплотнения грунта, о чем свидетельствует некоторое
Рис. 40-5. Схема установки для поверхностного испытания
грунта штампом площадью 0,5 ж2 статической нагрузкой
гидравлическим домкратом:
/ — штамп площадью 0,5 мг-, 2— стойка; 3 — домкрат; 4 — анкерные
деревянные сваи; 5 — деревянный вкладыш
замедление приращения осадки штампа при возрастании нагрузки; зона II,
характеризующаяся новым увеличением осадки и ускорением ее прираще-
ния, соответствует разрушению грунта и выпиранию его из-под штампа.
Вследствие этого участок кривой, падающий на зону II, при анализе воп-
роса об осадке проектируемого сооружения из рассмотрения должен быть
отброшен.
Таким образом, вычисление модуля общей деформации следует произво-
дить лишь для участка кривой деформации (осадок штампа), соответствую-
616
щей фазе уплотнения грунта. Однако очень часто вполне достаточно и даже
предпочтительно ограничивать испытание грунта одной нагрузкой, но
соответствующей проекту и выдерживаемой в течение ряда месяцев
(рис. 40-8).
По результатам испытания определяются модули сжимаемости грунтов,
подвергнутых испытанию, необходимые для оценки расчетом возможной
Время Т
Рис. 40-6. Опыты по пробной нагрузке. Ход осадки
штампа во времени для двух пластов с различной
нагрузкой
величины осадки сооружений. При вычислении модуля сжимаемости Ер
используется формула (33-31) для осадки квадратного жесткого штампа
со стороной В
= 0,88 (1 — v2) —, (40-5)
"^кон
где Ер — модуль сжимаемости, или общей деформации, кПсм2;
р — полная нагрузка на штамп, кПсм2]
В — сторона штампа, применявшегося при испытании (при штампе
площадью 5000 см2 В =70 сж);
т|кон—конечная осадка, соответствующая нагрузке, р,сл;
v —- коэффициент Пуассона, для песков и супесей, принимаемый
равным 0,3; для суглинков и глин в пластичном состоянии со-
ответственно 0,35 и 0,42; для плотных глин 0,20;
Расчетное значение Ер принимается равным среднему его значению
полученному из нескольких испытаний одного и того же слоя грунта.
617
Располагая значением модуля сжимаемости Ер при той или иной на-
грузке р, не представляет большого труда найти и модуль осадки ер} отве-
чающий этому значению Ер, по формуле, производной из выражения(9-11):
^= 1000 — . (40-6)
Ер
Модуль сжимаемости Ер определяется только для фазы уплотнения.
Рис. 40-7. Пробная нагрузка. Пунк-
тирный участок кривой — воображае-
мый ход осадки штампа, если бы плас-
тические явления в его основании бы-
ли бы избегнуты
Рис. 40-8. Схема длительного испы-
тания грунта пробной нагрузкой
для оценки предстоящей осадки со-
оружения:
/ — каменная кладка; 2— клинья; 3 — креп-
ление; 4 — настил; 5 — загрузочная плат-
форма; 6 — засыпка; 7 — песчаная подго-
... . товка
П р и м е р. Штамп площадью F=5000 см2 со стороной В—70 см дал
под нагрузкой р—2 кГ/см2 осадку tjkoh= 1,5 с.м; грунт глинистый. Тре-
буется определить модуль сжатия В2 и модуль осадки е2.
По формуле (40-5)
Е2 = 0,88 (1 — 0,422) -2’^ 570- = 69 кГ/см*;
по формуле (40-6)
в» = 1000 = 30 мм/м.
69
В заключение отметим, что нередко практикуемое использование опыта
пробной нагрузки для непосредственного установления величины осадки
сооружения при данной нагрузке без пересчета на размеры сооружения
618
через модуль сжатия Ер или модуль осадки ер) является грубо ошибочным.
Полевые наблюдения за существующими сооружениями. При прове-
дении полевых работ очень важно провести сбор всех необходимых данных
по оценке несущей способности основания и по наблюдениям за существую-
щими сооружениями, возведенными в аналогичных геологических услови-
ях. Для использования метода аналогии, например, при установлении
допустимых нагрузок, следует тщательно обследовать существующие соору-
жения как с точки зрения оценки возможной их осадки, так и состояния
(трещины, перекосы и т. д.). Напомним, что несущая способность основа-
ния в сильнейшей степени зависит от размеров фундамента, его типа (лен-
точный, свайный и т. д.), от глубины его заложения и положения уровня
грунтовых вод (фактор взвешивания). Поэтому при сборе сведений для
каждого обследуемого сооружения должны быть установлены его харак-
теристики, так же как и данные по принятому давлению на грунт.
Часто интересующие нас сведения могут быть получены путем опроса
сведущих лиц. Отметим, что недооценка опыта эксплуатации существую-
щих сооружений нередко приводит к неоправданному увеличению объема
исследований.
Во многих случаях требования жизни заставили значительно превзой-
ти проектные нагрузки. Автору известны многие случаи, когда на при-
чалах и набережных вместо проектных 2,5 Т/м2 были допущены без вся-
кого вреда для сооружения 7 Т/м2 и даже больше. При проектирований
новых сооружений в этих же условиях необходимо все это учитывать.
Однако в данном случае никогда нельзя забывать о необходимости установ-
ления степени единообразия инженерно-геологических условий сопостав-
ляемых объектов по составу, состоянию и, следовательно, по свойствам
грунта.
Целесообразность такого подхода может быть иллюстрирована следую-
щим примером: в 1930 г. подлежало возвести весьма высокое и ответствен-
ное здание. Грунты — ленточные глины в пластичном состоянии. Необхо-
димая нагрузка — 2,5 кГ/см2, Были поставлены опыты со штампами. До-
пускаемая нагрузка была определена в 1 кГ/см2. Возникла необходимость
обоснования сооружения на железобетонных сваях. Предстояли огромные
производственные трудности.
Однако было установлено, что фундаменты под котлы одной электро-
станции в этом же городе, расположенной, правда, на значительном рас-
стоянии от проектируемого сооружения (^15 кж), возведены в подобных
же условиях с нагрузкой 3,5 кГ/см2 без всяких свай.
Используя палеогеографический метод, удалось доказать, что основа-
ние обоих сооружений сложено породами одной и той же формации и что
в силу условий отложения и залегания этих пород (ленточные глины)
можно для них ожидать и однообразных свойств. Лабораторные исследо-
вания подтвердили этот вывод.
619
Таким образом была доказана возможность допустить для проектируе-
мого сооружения, исходя из размеров его подошвы и величины заглубле-
ния, потребную нагрузку 2,5 кПсм\ Сооружение было построено без свай
на ленточных фундаментах и благополучно существует уже свыше 30 лет.
Нередко возможно, в особенности в портовых условиях, произвести проб-
ную опытную нагрузку некоторой части сооружения, в особенности при на-
личии массивов гигантов и свободных кранов. Результаты в одном извест-
ном автору случае были получены весьма интересные, показавшие возмож-
ность более смелого (с точки зрения их несущей способности) проектирова-
ния свайных конструкций.
Ценные сведения по оценке сжимаемости толщи могут быть получены
на основе обработки данных осадки существующих сооружений, возведен-
ных в аналогичных условиях.
Величины модулей осадок ер и деформации Ер могут быть при этом ус-
тановлены расчетом, причем при значительных размерах сооружения и
слоистости толщи эти показатели будут средними.
Дальнейшее уточнение расчетов проводится с учетом глубины залегания
отдельных пластов и распределения напряжений от веса сооружений по
глубине с учетом роли и степени значимости того или иного пласта в общей
величине осадки сооружения. Особенно большое значение такой подход
к решению вопроса приобретает в случае возведения более или менее иден-
тичных сооружений на тех же грунтах в городских условиях, в частности,
мостов (пример Москвы со строительством мостов на юрских глинах и
Ленинграда — на комплексе ледниковых отложений).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Теоретический аппарат «Механики грунтов» при надлежащем его ис-
пользовании на базе данных «Инженерной геологии» открывает широкие
возможности дальнейшего совершенствования методов проектирования и
возведения сложных инженерных сооружений невиданного до сего време-
ни масштаба, часто в неблагоприятных природных условиях. В этом
отношении возможности механики грунтов как теоретической и приклад-
ной дисциплины поистине неисчерпаемы.
Однако для получения надлежащего эффекта в рассматриваемом плане
необходимо, чтобы весь процесс проектирования сооружения и, в даль-
нейшем, его возведения был построен с учетом природной обстановки
строительной площадки, а также специфических строительных свойств
грунтов в составе и в основании проектируемых сооружений с полным
пониманием условий их работы в каждом конкретном случае.
Это может быть обеспечено лишь на основе широкого творческого
содружества самих изыскателей, проектировщиков и строителей.
В этом отношении совершенно не может быть терпимо такое положе-
ние, когда накопленные материалы инженерно-геологических исследова-
ний остаются мало известными проектировщикам, стремящимся использо-
вать в проектной работе лишь конечные количественные характеристики
и показатели грунтов, необходимые для подстановки их в расчетные фор-
мулы. В ряде случаев эти данные используются без всякой критики,
также без надлежащего анализа условий работы грунтов в основании и в
составе проектируемых сооружений. При этом условии все современные
достижения механики грунтов как теоретической и прикладной дисцип-
лины останутся логически далеко неисчерпанными, а кроющиеся в них
богатые возможности — не использованными.
Для молодого советского специалиста-строителя, надлежаще подготов-
ленного к возможности творческого разрешения стоящих и вновь возникаю-
щих перед ним задач, овладение теоретическим аппаратом «Инженерной
геологии» и «Механики грунтов» так же необходимо, как и аппаратом строи-
тельной механики.
И если настоящий труд окажется в этом отношении полезным, его автор
получит величайшее удовлетворение.
621
ПРИЛОЖЕНИЕ
Международная система единиц (СИ) и ее связь с механической
системой единиц (МКГСС)
I. Сила:
1) МКГСС: 1 кГ-(кгс) и 1 Г (тс)-,
2) СИ: 1 н {м-кг-сек~2).
Переход:
а) 1 кГ -= 9,81 н да 10 н (10 ньютон);
б) 1 Т ~' 9,81-10® н да 1-104 н да 10 кн (10 килоньютон).
II. Момент силы:
1) МКГСС: 1 кГ-м (кгс-м) н 1 Т-м (тс-м);
2) СИ: н-м {м2-кг-сек~2).
Переход:
а) 1 кГ-м — 9,81 н-м да 10 н-м (10 ньютон-метров);
б) 1 Т-м = 9,81-103 «-ж да 1-Ю4 н-ж да 10 кн-м (10 килоньютон-метров).
III. Давление (напряжение):
1) МКГСС: 1 кГ/см2 (кгс/см2) н 1 Т/м2 {тс/м2);
2) СИ: 1 н/м2 (ж-1- кг-сек~2).
Переход:
а) 1 кГ/см2 — 9,81-104 н/м2 ж 1-109 н/м2 ж 0,1 Мн/м2 (0,1 меганьютон на кв.
метр);
б) 1 Т/м2 — 9,81 -103 я/ж2 да 1 • 104 н/ж2 да 10 кн/м2 (10 килоньютон на кв.
метр)
IV. Удельный вес:
1) МКГСС: 1 Т/м3 (тс/лА и f Г/см3 (гс/см3);
2) СИ: н/м3 (мГ2• кг.-сект2).
Переход:
а) 1 Т/м3 = 9,81 -103 н/м3 да! • 104 н/м3 да 10 кн/м3 (10 килоньютон на куб. метр);
б) 1 Г/см? = 9,81-103 да 1 104 н/м3 да 10 кн/м3 (10 килоньютон на куб. метр).
V. Вязкость:
Коэффициент динамической вязкости:
1) МКГСС: кГ-сек/м2-
2) СИ: н-сек/м2 (ж"1-кг-сек-1);
3) СГС: 1 пз (пуаз) {дин-сек/см2).
Переход:
а) 1 кГ-сек/м2 == 98,1 пз да 10,0 пз;
б) 1 н-сек/м2 = 10 пз.
622
Приставки для образования кратных и дольных единиц (по ГОСТ 7663—55)
№ п/п Кратность или дельность Наименование приставок Обозначение
русскими буквами латинскими или греческими
1 1012 тера Т Т
2 109 гига Г G
3 10s мега м М
4 10’ кило к. к
5 102 гекто г h
6 101 дека да da
7 10-1 деци д d
8 10-2 санти с с
9 10-3 милли м m
10 10-6 микро мк р.
И 10-9 нано н п
12 10-12 ПИКО п Р
13 10-15 фемто ф f
14 10-18 атто а й
. ИТЕРАТУРА
Бабков В. Ф., Гербурт-Гейбович А. В. Основы
грунтоведения и механики грунтов. Изд. 2-е. Автотрансиздат, 1964.
Бабков В. Ф., Орнатский Н. В., Маслов Н. Н.,
Иванов Н. Н. Вопросы дорожного строительства на V Международ-
ном конгрессе по механике грунтов и фундаментостроению (Париж,
1961). Автотрансиздат, 1963.
Белоусов В. В. Основные вопросы геотектоники. Госгеолтех-
издат, 1954.
Богомолов А. И., Константинов Н. М. Примеры гид-
равлических расчетов. Автотрансиздат, 1962.
Богомолов А. И., Михайлов К- А. Гидравлика. Строй-
издат, 1965.
Березанцев В. Г. Расчет прочности оснований сооружений.
Госстройиздат, 1960.
Борьба с оползнями на автомобильных дорогах. Сокращенный пере-
вод с английского. Автотрансиздат, 1960.
Велли Ю. Я., Докучаев В. В., Федоров Н. Ф. Зда-
ния и сооружения на Крайнем Севере. Госстройиздат, 1963.
Вялов С. С. Прочность и ползучесть мерзлых грунтов и расчеты
ледогрунтовых ограждений. Изд-во АН СССР, 1962.
Гельфер А. А. Разрушение мостовых опор и меры их защиты.
Изд-во Наркомхоза РСФСР, 1938.
Гончаров И. Г. Прочность каменных материалов в условиях
различных напряженных состояний. Госстройиздат, 1960.
ГОСТ 6249-52 «Шкала для определения силы землетрясения в пре-
делах от 6 до 9 баллов». Стройиздат, 1952.
Горшков Г. П., Якушева А. Общая геология. Изд-во МГУ,
1957.
Дандуров М. И. Тоннели. Трансжелдориздат, 1952.
Денисов Н. Я. О природе просадочных явлений в лёссовидных
суглинках. Изд-во «Советская наука». 1946.
Денисов Н. Я. Инженерная геология. Госстройиздат, 1960.
Денисов Н. Я. Строительные свойства лёсса и лёссовидных
суглинков. Госстройиздат, 1951.
Денисов И. Я., Ребиндер П. А. О коллоидно-химической
природе связности глинистых пород. Доклады АН СССР, т. 6, 1946.
Доклады к IV Международному конгрессу по механике грунтов и
фундаментостроению. Под ред. Н. А. Цытовича. Изд-во АН СССР, 1957.
Доклады к V Международному конгрессу по механике грунтов и
фундаментостроению. Под ред. Н. А. Цытовича. Стройиздат, 1961.
Доклады к VI Международному конгрессу по механике грунтов и
фундаментостроению. Под ред. Н. А. Цытовича. Стройиздат, 1965.
ДранниковА. М. Инженерная геология. Госстройиздат, УССР,
1959.
624
Евдокимов П. Д. Прочность оснований и устойчивость гидро-
технических сооружений на мягких грунтах. Госэнергоиздат, 1956.
Жуков М. М. [и др.]. Основы геологии. Изд-во литературы по
геологии и охране недр. 1961.
Иванов Н. Н., Орнатский Н. В., Бабков В. Ф.
IV Международный конгресс по механике грунтов и фундаментострое-
нию. Автотрансиздат, 1958.
Истомина В. С. Фильтрационная устойчивость грунтов. Гос-
стройиздат, 1957.
Клейн Г. К- Расчет подпорных стен. Росвузиздат, 1964.
Коломенский Н. В., Комаров И. С. Инженерная ге-
ология. Изд-во «Высшая школа», 1964.
К о т о в М. Ф. Задачник по механике грунтов. Под ред. Н. Н. Мас-
лова. Изд-во «Высшая школа», 1966.
Лебедев А. Ф. Почвенные и грунтовые воды. Изд. 4, АН СССР
1926—1936.
Ломтадзе В. Д. Методы лабораторных исследований физико-
механических свойств песчаных и глинистых грунтов. Геологиздат, 1952.
Маковский В. Л. Тоннели. Изд-во Академии архитектуры
СССР, 1948.
Малюшицкий Ю. Н. Условия устойчивости бортов карье-
ров(. Изд-во АН СССР, 1957.
Маслов Н. Н. Прикладная механика грунтов. Машстройиздат,
1949.
Маслов Н. Н. Условия устойчивости склонов и откосов. Гос-
энергоиздат, 1955.
Маслов Н. Н. Условия устойчивости водонасыщенных песков.
Госэнергоиздат, 1959.
Маслов Н. Н. Проблемы устойчивости и деформации грунтов в
свете зарубежных материалов IV Международного конгресса по механи-
ке грунтов и фундаментостроению. Госэнергоиздат, 1961.
Материалы совещания по вопросам изучения оползней и мер борьбы
с ними. Изд-во Киевского университета, 1964.
Наливкин Д. В. Геология СССР. Изд-во АН СССР, 1962.
Ничипорович А. А., Ц и б у л ь н и к Т. И. Прогноз оса-
док гидротехнических сооружений на связных грунтах. Госстройиздат,
1961.
Нормы и правила строительства в сейсмических районах (СН 8—57).
Госэнергоиздат, 1957.
Овчинников А. М. Общая гидрогеология. Госгеолиздат,
1949.
Попов И. В. Инженерная геология. Изд-во МГУ, 1959.
Роза С. А. Изучение уплотняемости и несущих свойств грунтов,
слагающих основание сооружений. Изд. Ленгидэпа, 1947.
Роза С. А. Расчет осадки сооружений гидростанций. Госэнерго-
издат, 1959.
Сергеев Е. М. Избранные главы общего грунтоведения. Изд-во
МГУ, 1946.
Сергеев Е. М. Грунтоведение. Изд-во МГУ, 1959.
Соколовский В. В. Статика сыпучей среды. Изд, 2. Гос-
техиздат, 1954.
Силин-Бек чурин А. И. Динамика подземных вод. Изд-во
МГУ, 1958.
625
Су мг и н М. И. Вечная мерзлота почвы в пределах СССР. Изд-во
АН СССР, 1928 и 1937.
Тэйлор Д. Основы механики грунтов. Пер. с англ. Госстройиздат,
1960.
Терцаги К., Пэк Р. Механика грунтов в инженерной прак-
тике. Госстройиздат, 1957.
Терцаги К. Теория механики грунтов. Госстройиздат, 1961.
Т р е с к и н с к и й С. А. Автомобильная дорога в песках. Авто-
трансиздат, 1957.
Труды совещания по инженерно-геологическим свойствам горных
пород и методам их изучения (в двух томах). Изд-во АН СССР, 1957.
Федоровский Д. В. Основания и фундаменты. Изд-во Военно-
транспортной академии, 1956.
Флорин В. А. Основы механики грунтов. Т. I. Госстройиздат,
1959.
Холмогоров В. С. Защита железнодорожного полотна и со-
оружений от оврагов. Трансжелдориздат, 1938.
X о у В. К- Основы инженерного грунтоведения. Пер. е англ.
Стройиздат, 1966.
Ц ы т о в и ч Н. А. Основания и фундаменты на мерзлых грунтах.
Изд-во АН СССР, 1958.
Цытов и ч Н. А. [и др.]. Основания и фундаменты. Госстройиздат,
1959.
Цытов и ч Н. А., С у м г и н М. И. Основания механики мерз-
лых грунтов. Изд-во АН СССР, 1937.
Цытов и ч Н. А. Механика грунтов. Изд. 4-е, Госстройиздат,
1963.
Чаповский Е. Г. Лабораторные работы по грунтоведению и
механике грунтов. Госгеолтехиздат, 1963.
Яковлев С. А. Основы геологии четвертичных отложений
Русской равнины. Госгеолтехиздат, 1956.
В г inton A. Carson Р. Е. Foundation Construction, Me. Graw—
Hill, New York, 1965.
Leonards G. A. Foundation Engineering. Me. Graw—Hill, 1962.
S z e c h у К- Der Grundban. Erster Band. Untersuchung und Fes-
tigkeitlehre des Bangrundes, 1963.
TschebotarioffG. P. Soil Mechanics. Faundations and Earth
Structures. New York, 1958.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Предисловие ко ,2-му изданию ................................ 3
Введение .................................................... 5
РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ
ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОЛОГИИ
Часть I. Жизнь Земли ........................................ 9
Глава 1. Общие сведения о строении земного шара .... 9
Глава 2. Тектонические явления и их роль в жизни Земли . . 12
Глава 3. Тектонические эпохи в жизни Земли .............. 14
Часть II. Горные породы и условия их залегания .... 20
Глава 4. Разновидности горных пород и условия из образо-
вания ................................................... 20
Глава 5. Условия и формы залегания осадочных пород . • 36
Глава, 6. Трещиноватость горных пород и условия ее проявле-
ния .................................................... 52
-Часть III. Физические и физико-механические характерис-
тики горных пород и грунтов.......................... 59
Глава 7. Показатели, характеризующие состав и состояние ,
горных пород и грунтов. Методы их определения .... 59
Глава 8. Сопротивляемость грунтов сдвигу. Показатели. Ме-
тоды их определения ................................... 79
Глава 9. Показатели сжимаемости грунтов. Методы их опре-
деления М .............................................. 129
Глава 10. Инженерно-геологическая классификация горных
пород и грунтов ....................................145
Ч асть IV. Подземные воды................................150
Глава 11. Подземные воды и их режим .....................150
Глава 12. Законы, обусловливающие движение подземных вод 162
Глава 13. Методы определения коэффициента фильтрации . 168
627
Ч а с т ь V. Физико-геологические явления..................173
Глава 14. Выветривание и связанные с ним явления . . . 173
Глава 15. Размывающая и подмывающая деятельность текущей
воды ...............................................205
Глава 16. Разрушительная работа волн ...................221
Глава 17. Оползни и оползневые явления .................227
Глава 18. Сейсмические явления ....................... 251
РАЗДЕЛ ВТОРОЙ
ОСНОВЫ МЕХАНИКИ ГРУНТОВ
Введение. Основные задачи механики грунтов . . . 265
Часть VI. Вопросы прочности и общей устойчивости основа-
ния сооружений ........................................ 267
Глава 19. Общее понятие о напряженном состоянии грунтовой
толщи и о его значении в оценке несущей способности основания 267
Глава 20. Общие выражения для описания напряженного со-
стояния толщи основания под внешней нагрузкой .... 274
Глава 21. Оценка степени прочности грунта в основании соору-
жения без учета нормальных напряжений ...... 304
Глава 22. Оценка прочности грунтов в основании сооружений
с учетом нормальных напряжений . .......................310
Глава 23. Критическая нагрузка по условию обеспечения об-
щей устойчивости основания сооружения (фаза выпирания) 338
Часть VII. Учет особых условий при оценке прочности и
общей устойчивости основания сооружений ....... 363
Глава 24. Уплотнение и сопротивляемость глинистых грунтов
под нагрузкой во времени ............................. 363
Глава 25. Начальный градиент и его значение в возможной кон-
солидации основания . ................................ 378
Глава 26. Учет реологических свойств в глинистых грунтах 383
Глава 27. Гидростатический и гидродинамический эффекты 397
Часть VIII. Особые формы нарушения прочности и устой-
чивости оснований сооружений и горных массивов .... 421
Глава 28. Условия нарушения общей устойчивости и деформа-
ции основания сооружения, воспринимающего горизонтальное
усилие ............................................. . 421
Глава 29. Расчетные методы по оценке степени устойчивости
откосов и склонов . .......................... ......... 445
Часть IX. Осадка и деформация сооружений ..................480
Глава 30. Роль осадки сооружений в их работе ............480
628
Глава 31. Формулы по оценке деформации уплотнения расчетного
слоя ................................................... 487
Глава 32. Определение нормальных сжимающих напряжений 500
Глава 33. Методы прогноза осадки сооружения за счет уплотне-
ния грунтов его основания .............................. 525
Глава 34. Прогноз осадки сооружения во времени .... 551
Глава 35. Частные случаи прогноза деформаций оснований и
осадок сооружений ..................................... 557
Часть X. Особые формы деформации грунтовой толщи и свя-
занных с ней сооружений ................................567
Глава 36. Особые условия деформации..................... 567
Глава 37. Просадочные явления в лёссовых и лёссовидных по-
родах .................................................. 572
Глава 38. Вечномерзлые породы и грунты ...................585
Часть XI. Полевые исследования .......... 595
Глава 39. Геологические и гидрогеологические исследования 595
Глава 40. Полевые опыты и наблюдения ........610
Заключение .............................................. 621
Приложение .............................................. 622
Литература .............................................. 624
Маслов Николай Николаевич
ОСНОВЫ МЕХАНИКИ ГРУНТОВ
и ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОЛОГИИ
Редактор Н. И. Бородина
Технический редактор Э. М. Чижевский
Корректор Р. Иванова
Т-ОЗБЕЗ. Сдано в набор 28/1Х-67 г. ГТодп. к
печати 24/IV-68 г. Формат ,0XS0'/1S. Объем 39,5
печ. л., 46,21 усл. п. л., 37,£8 уч.-изд» л. Изд.
№ СТР-42. Тираж 15 000 экз. Цена 1 р. 42 к.
Тематический план издательства «Высшая школа»
(вузы и техникумы) на 1968 г. Позиция № 120.
Москва, К-51, Неглинная ул., д. 29/14,
Издательство «Высшая школа».
Ярославский полиграфкомбинат
Главполиграфпрома Комитета по печати при
Совете Министров СССР. Ярославль,
ул. Свободы, 9/. Зак. 549
ЧИТАЙТЕ, ВЫПИСЫВАЙТЕ
ЕЖЕМЕСЯЧНЫЙ ЖУРНАЛ
«ВЕСТНИК ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ»-
Единственный в Советском Союзе журнал, освещающий актуальные вопросы
учебной, научной и воспитательной деятельности вузов — «Вестник высшей
школы» — издается 26-й год. Журнал помещает на своих страницах интересные
и разнообразные материалы, в которых обсуждаются, нередко в дискуссионной
форме, проблемы улучшения подготовки молодых специалистов, перспективы
развития высшего образования и вузовской науки. В журнале существуют
^постоянные разделы — «Учебный процесс», «На темы дня», «Наука в высшей,
школе», «Воспитывать активных строителей коммунизма», «Опыт и предложе-
ния», «За рубежом», «Критика и библиография», и др.
Наука и технический прогресс несут новое в лекции, в лабораторные за-
нятия. На помощь приходят совершенные технические средства — кино, радио,
телевидение.
Казалось, только вчера появился первый электронный экзаменатор Москов-
ского энергетического института. А сегодня больше 350 вузов применяют мето-
ды программированного обучения. Созданы обучающие комплексы на базе
электронно-цифровых машин; появляются на библиотечных полках первые
программирование учебники.
Обо всем этом из номера в номер рассказывает своим читателям ежемесяч-
ный журнал «Вестник высшей школы». На его страницах вы найдете статьи,
репортажи и очерки, посвященные учебному процессу, организации научной
и воспитательной работы в высшей школе. Ученые, преподаватели, партийные,
комсомольские и профсоюзные работники выступают здесь со своими сообра-
жениями о путях развития высшего образования в стране, делятся опытом,
спорят, размышляют, предлагают.
Специальный раздел журнала посвящен преподаванию общественных наук
в высшей школе. Читатель может познакомиться в журнале с техническими
новинками, с новыми учебными фильмами. Из раздела «Критика и библиогра-
фия» он узнает о новых учебниках. Юридическая консультация журнала отве-
тит на его вопросы. А в рубрике «За рубежом» он совершит вместе с авторами
интересное путешествие в высшие учебные заведения многих стран. Постоян-
ные корреспонденты журнала — друзья из высшей школы братских социалис-
тических стран.
Бели вы учитесь или преподаете в вузе, если вас интересует как учат сейчас
и как будут завтра учить в высшей школе, почитайте журнал — вы наверняка
найдете в нем немало полезного для себя.
Журнал выходит 12 раз в год.
Подписная цена на год — 6 руб.
В каталоге «Союзпечати» журнал значится под № 70117.
В розничную продажу журнал не поступает.
Подписка принимается без ограничения в пунктах подписки «Союзпечати»,
отделениях и узлах связи, почтамтах, а также общественными распространите-
лями печати на предприятиях, в учебных заведениях и организациях.